La ciencia en el aula

Lo que nos dice la ciencia sobre cómo enseñarla

Gabriel Gellon, Elsa Rosenvasser Feher, Melina Furman, Diego Golombek, Melina Furman, Diego Golombek, Melina Furman, Diego Golombek

• Editorial: Siglo XXI Editores
• Año: 2019
• ISBN:
  9789876298254
• Categoría: Pedagogía
• Categoría: Enseñanza de ciencia y tecnología

En su búsqueda de ampliar los límites de lo posible, la ciencia está teñida de aventura, de debates acalorados y de pasiones encendidas. Sin embargo, en al aula parece todo lo contrario: árida, acartonada y desapasionada. O así la perciben muchos chicos y jóvenes que salen de la escuela sintiendo que se trata de un terreno aburrido, difícil o que no los convoca.Los autores de este libro, científicos y docentes de mucha experiencia, comparten aquí su convicción de que la ciencia puede ser un maravilloso desafío del pensamiento, tanto para los alumnos como para los profesores. ¿Cómo? Recreando el camino que suelen recorrer los científicos para generar conocimiento.Para esto, tienen en cuenta cinco aspectos fundamentales de la ciencia: empírico, metodológico, abstracto, social y contraintuitivo, y proponen actividades concretas que los docentes de ciencias naturales pueden realizar con sus alumnos para que estos construyan sus ideas a través de observaciones, experimentos, análisis y discusiones.En La ciencia en el aula, los autores toman como punto de partida las clases reales y las fortalezas de cada docente, y buscan llevarlas un paso más allá, apostando a convertir cada grupo y cada escuela en una comunidad de aprendizaje en que la curiosidad, el pensamiento crítico y la colaboración sean valores centrales.

Parte III

El aspecto abstracto de la ciencia

7. Ideas inventadas

En este capítulo abordaremos el aspecto unificador y generalizador de las ciencias: la forma en que los científicos construyen explicaciones que sirven para ordenar y organizar una gran cantidad de fenómenos de la naturaleza y cómo logran hacerlo de la manera más económica y elegante posible.

Conceptos y esquemas conceptuales

J. B. Conant (1951) define la ciencia como “una serie de conceptos y esquemas conceptuales interconectados, que han surgido como consecuencia de experimentos y observaciones y que generan, a su vez, nuevos experimentos y observaciones”. Desde este punto de vista la ciencia se nos aparece como un edificio de conceptos y esquemas conceptuales –lo que denominamos su “aspecto abstracto”– construido sobre una sólida base de experimentos y observaciones –su aspecto empírico–. Como hemos visto en los capítulos anteriores, los conceptos científicos más básicos, íntimamente ligados a los fenómenos, surgen de la experiencia directa de nuestros sentidos (por ejemplo, la carga eléctrica o la reacción química). Estos conceptos se relacionan entre sí constituyendo redes o esquemas conceptuales más abstractos (por ejemplo, las leyes de la mecánica clásica) que dan unidad a las observaciones y permiten explicar una gama grande de fenómenos. Estos esquemas conceptuales están más alejados de nuestra experiencia sensorial directa: cuanto más alejados se encuentran, mayor será el rol que desempeñe en ellos nuestra imaginación –y aquí es donde entra en juego nuestra capacidad de abstracción–. Los esquemas conceptuales más amplios incluyen los modelos teóricos y las teorías.

Los conceptos pueden definirse como ideas útiles porque nos permiten ordenar nuestras experiencias y sintetizarlas. Ziman (1968) da un ejemplo sencillo de esto empleando una idea de uso cotidiano. Supongamos que vemos un telón de teatro a medio subir y detrás de él cuatro palos de madera. Los palos se mueven en conjunto. Nuestra mente nos dice que allí hay una silla (aunque no la hemos visto). Así, el concepto “silla” nos sirve para explicar por qué los palos (las patas) se mueven al unísono y sentimos la confortable sensación de que todo encaja y tiene sentido. Además, si alguien mueve uno de los palos, la idea de silla nos permitirá predecir cómo se moverá el resto.

El concepto de silla es abstraído de nuestra experiencia y es de alguna manera un acto de invención de nuestras mentes. Este es un ejemplo muy simple, pero sirve para ilustrar lo que sucede con construcciones teóricas más complejas: estas se derivan de actos inventivos, que muchas veces implican una enorme imaginación (y a veces con resultados sumamente contraintuitivos). Albert Einstein, a quien todos identificamos con los aspectos más creativos de la ciencia, destacó que “los conceptos físicos son creaciones libres de la mente humana y no están, por más que lo parezca, determinados únicamente por el mundo exterior” (Einstein e Infeld, 1938).

Muchas de las nociones de la ciencia son construcciones teóricas producto de la invención humana. Los átomos, los genes, el calor, la energía y los agujeros negros son ejemplos de ideas científicas útiles para explicar fenómenos observados. El flogisto, el calórico, el éter y los efluvios también han sido ideas inventadas para explicar fenómenos observados, pero con el desarrollo de la ciencia y la tecnología dejaron de resultar útiles y han sido, por lo tanto, descartadas y sustituidas por otras.

En nuestra discusión del aspecto abstracto del conocimiento científico nos centraremos en las características principales de ciertos esquemas conceptuales denominados “modelos teóricos”. Como veremos, este enfoque es provechoso y rico ya que, por una parte, el uso de modelos es constante en la actividad científica y, por otra, en el aula entender cómo se construyen los modelos sirve de punto de partida para comprender cómo se elaboran las teorías.

Los modelos teóricos: un ejemplo

A principios del siglo XIX los trabajos de Lavoisier, Proust y otros químicos habían producido una serie interesante y relativamente ordenada de observaciones sobre las reacciones químicas. Sabían, entre otras cosas, que las sustancias podían combinarse y descomponerse, que los elementos permanecían constantes en todas estas transformaciones y que formaban compuestos en porcentajes fijos de masas.

En vista de este cúmulo de datos, el docente inglés John Dalton propuso la hipótesis de que todas las sustancias (es decir, todos los objetos materiales) están compuestas de partículas de materia a las que llamó “átomos”.[33] Dalton sugirió algunas características que los átomos debían tener: ser extremadamente pequeños, indestructibles, inalterables y capaces de establecer vínculos con otros átomos. Con estas dotes, la idea de átomo se convirtió en una forma de imaginar la materia y entender su comportamiento en las transformaciones químicas, es decir, se constituyó en un modelo de la estructura de la materia. Mediante el uso de este modelo numerosas observaciones cobraban sentido. Por ejemplo, los elementos podían entenderse como sustancias compuestas de un solo tipo de átomos. El hecho de que los elementos pudieran ser recuperados después de transformaciones químicas podía entenderse a partir de la idea de que los átomos son indestructibles e inmodificables. Y que las sustancias tuvieran una composición fija de elementos podía entenderse suponiendo que cada tipo de átomo tenía un peso diferente, y cada tipo de compuesto, una fórmula característica.

La idea de átomo de Dalton fue enormemente fructífera no sólo para entender lo que ya se sabía, sino para predecir nuevas observaciones. Sobre la base de su idea, Dalton predijo la ley de proporciones múltiples y también la posibilidad de construir una tabla de pesos relativos de los átomos (la tabla periódica, que fue elaborada después de su muerte). Además, la idea de átomo permitió comprender la diferencia entre el estado gaseoso y los estados líquido y sólido. En los gases podemos imaginar que las partículas están muy separadas, lo que les da la propiedad de ser compresibles. En cambio, podemos imaginar que las partículas que constituyen un sólido se encuentran a la distancia mínima posible entre partículas (“se están tocando”), lo cual hace imposible la compresión.

Un modelo teórico es una representación mental

Por lo general, los modelos ofrecen una imagen física que nos permite formar una representación mental de lo que sucede en los fenómenos bajo estudio por analogía con otros fenómenos mejor conocidos. Así, en el modelo de Dalton de la estructura de la materia, los átomos nos remiten a una imagen cotidiana de pelotas o bolas de billar. Esta representación mental es útil aun sin saber qué forma tiene el interior de un átomo o cuál es su estructura íntima; nos permite imaginar, por ejemplo, cómo colisionan los átomos en la pared de un recipiente que contiene un gas. De forma parecida, el modelo de circuitos eléctricos, por analogía con el sistema circulatorio, postula un fluido que se mueve dentro de los cables. En términos de la utilidad del modelo, no hace falta saber qué es lo que fluye, en qué dirección fluye o siquiera si realmente algo fluye. Lo importante es que el circuito se comporta “como si” algo fluyera y que imaginarlo de este modo nos permite predecir una serie de resultados que de otra manera no resultan comprensibles.

Con frecuencia un modelo es sólo una analogía. Konrad Lorenz, uno de los padres de la biología del comportamiento, propuso que los instintos de los animales se despertaban “como si” un tanque interno se llenara de un líquido (cuanto más lleno esté el tanque, será más probable que se dé el comportamiento instintivo). Basó este “modelo hidráulico” en las ideas de Sigmund Freud, quien describía el psiquismo humano en términos similares. Ninguno de los dos investigadores creía que existieran “reservorios” de líquido en el sentido real de la palabra, pero los modelos eran representaciones mentales útiles para pensar el sistema y predecir resultados.

Como vemos, la propia naturaleza práctica de un modelo hace que la representación mental sea lo más simple posible. Se trata de una abstracción de la realidad, una representación idealizada para poder concentrarnos en ciertos aspectos del fenómeno que queremos explicar, sin tener que incorporar toda la complejidad y los detalles de un sistema real.

La propia naturaleza de un modelo hace que tenga limitaciones en su rango de aplicabilidad. Por ejemplo, la teoría cinética de los gases trabaja con un modelo de gas ideal en el que las moléculas no interactúan (no se atraen ni se repelen), pero este modelo sólo se ajusta a la realidad a presiones muy bajas; al aumentar la presión es necesario modificar ligeramente el modelo. En la biología de las poblaciones muchos modelos simples asumen que todos los individuos de una población se comportan de manera idéntica, lo cual puede no ser cierto cuando existen jerarquías o diferencias de sexo o edad marcadas.

En su representación más abstracta y utilitaria, un modelo puede estar expresado en términos exclusivamente matemáticos, y es entonces lo que se llama un modelo matemático. En este tipo de modelo se eligen aquellas variables que mejor representan la realidad (para lograr predicciones útiles) y se establecen relaciones matemáticas entre ellas. En biología, la dinámica de las poblaciones en el tiempo puede modelarse matemáticamente. La meteorología, que lidia con sistemas y procesos muy complejos, trabaja de forma constante con modelos matemáticos del clima.

Los modelos no son ciertos ni falsos

Los modelos, entonces, buscan ser una representación simple de un sistema que nos permite imaginar lo que no podemos ver. Dado que la representación es lo más simple posible para poder concentrarnos en los aspectos del sistema que nos interesan, el modelo tiene limitaciones. Estas mismas limitaciones nos llevan a entender que los modelos no son ni ciertos ni falsos: son solamente más o menos adecuados para describir la situación que se analiza. Apenas creado un modelo, el científico busca los puntos débiles, las limitaciones que le darán la pauta de cómo construir un modelo mejor. Por supuesto, un buen modelo tiene que ser lo suficientemente robusto como para soportar las pruebas experimentales derivadas de sus predicciones –en caso de que no sea así, no quedará más remedio que abandonarlo e ir en busca de un modelo alternativo que solucione las falencias del primero–.

El científico, entonces, tiene una relación dual con su modelo. Por un lado, mediante un acto creativo de su imaginación, es el inventor del modelo. Por otro lado, al buscar los límites en las aplicaciones, el científico se convierte en crítico de su propia creación.

Los modelos evolucionan con el tiempo

Otro de los aspectos importantes de los modelos teóricos es que cambian con el tiempo a fin de acomodar nuevos datos, o bien porque son reemplazados por versiones más elegantes o económicas, o incluso simplemente porque pasan de moda.

Un interesante ejemplo es...