El aprendizaje basado en problemas y modelos experimentales

–actividades de desarrollo de investigaciones guiadas en un ambiente de aprendizaje–

Las características que se presentan a continuación, sobre la estrategia de investigación guiada, son una orientación metodológica acorde a las investigaciones de Mikel Ceberio y Jenaro Guisasola, Euskal Herrico Unibersitatea del País Vasco, en convergencia con el sistema Lidermind®

1. 1. • El escenario del problema no proporciona toda la información, ya que no existe un camino único de resolución y no hay soluciones evidentes. Conforme se recopila nueva información, cambia la definición del problema.
      

2. 
   

1. • Después de un análisis cualitativo detallado por parte de los estudiantes –en una situación semi-abierta con un contexto próximo a la realidad– se requiere de simplificaciones y modelado. Esto evita que los alumnos pasen directamente a tratamientos operativos. La exigencia de explicitar –comunicación oral y/o escrita– los razonamientos y fundamentos de todo este proceso (véase dimensión epistemológica) conlleva el establecimiento de conexiones y la formación de hipótesis. Como colateral, ésta es la mejor forma de sacar a la luz las preconcepciones.
   

3. 
   

1. •Las hipótesis son las que focalizan y orientan el proceso, los parámetros a tener en cuenta, los datos a buscar y la planeación de los experimentos.
   

2. •La búsqueda de diferentes caminos de resolución permite comprobar los resultados tentativos –los principios fundamentales se deben cumplir en todos los casos– acorde a las simplificaciones de cada modelo y a las incertidumbres en las mediciones. En última instancia, se verifica la consistencia interna y se crean nuevas conexiones a problemas derivados.
   

4. 
   

1. •La ambigüedad –eventos discrepantes, incertidumbre– es una característica de situaciones verdaderamente problemáticas donde el conflicto cognitivo es un estímulo al aprendizaje y los alumnos nunca están cien por ciento seguros de sus resultados. Éste es un aprendizaje para toda la vida. (Véase dimensión epistemológica)
   

5. 
   

1. 1. •La inclusión de CTS muestra una imagen más completa y contextualizada, que permite aprender más ciencia y más sobre ciencia al aumentar el interés y la actitud.
      

   2. •El profesor actúa como un entrenador metacognitivo –trabajando en grupos colaborativos– donde el conocimiento evoluciona a través de la interacción social y los roles activos.
      

2. 
   

Razones de este enfoque:

1. 1. 1. Es una propuesta reconocida a nivel internacional como altamente coherente. Se supera la clásica separación entre teoría, resolución de problemas y prácticas de laboratorio.
      

   2. 2. Surge en un contexto educativo de reformas curriculares a nivel internacional que impulsan el autoaprendizaje y las actividades basadas en la investigación, donde se busca que el alumno adquiera confianza en sus propias capacidades.
      

2. Para que el estudiante adquiera confianza se necesita que comprenda la naturaleza del conocimiento científico y sus procesos; esto se convierte después en un «hábito mental» que desarrolla su pensamiento crítico y lo vuelve capaz de tomar decisiones reflexivas. (Léase Competencias). Éste es el campo de la epistemología.
   

Dimensión epistemológica

En el aprendizaje basado en problemas y modelos experimentales se pueden contestar dos preguntas fundamentales desde el punto de vista de la naturaleza del conocimiento científico y cómo se produce:

¿Cómo sabemos lo que sabemos? y ¿por qué lo creemos?

Para poder contestar, es conveniente estructurar esta dimensión en cuatro grandes rubros. Según William A. Sandoval, Graduate School of Education, University of California, Los Angeles:

1. 1.El conocimiento científico se construye. No se descubre, la clave se encuentra en la relación dialéctica entre teoría y observación, donde la creatividad para construir las teorías es fundamental. Entonces, el conocimiento científico no es aceptado porque sea “verdadero”, es aceptado por ser valioso (por generar mejores explicaciones, por ser útil o por otros estándares). Pero, ¿quién juzga si es valioso? La comunidad científica, en un proceso de colaboración y competencia, donde la persuasión acaba construyendo un consenso social –consenso que no significa unanimidad.
   

2. 2.Diversidad en los métodos científicos. No siempre es posible realizar experimentos controlados, por ejemplo en Astronomía, por lo que se requiere de otros métodos (en la actividad caídaLibreHelicóptero se presenta una forma de obtener información indirecta). El objetivo epistemológico consiste en ayudar a los estudiantes a desarrollar estándares para evaluar la concordancia entre las observaciones, los métodos de obtención y los reclamos sobre el conocimiento que se desprende de ellos. Estas evaluaciones tienen implicaciones en diferentes grados de certidumbre.
   

3. 3.Formas de conocimiento científico. Se trata de que los alumnos comprendan que las diferentes formas de conocimiento varían en poder explicatorio o predictivo y en su relación con el mundo observable. Las investigaciones han demostrado que la gente en general cree que existe una progresión lineal de las hipótesis a las teorías y a las leyes, donde la diferencia es el grado de certidumbre en que se puede creer en ellas. Incluso adultos universitarios no distinguen entre evidencia y teoría, o entre observación e inferencia. Las leyes se entienden como descripciones generalizadas con alto poder predictivo pero bajo nivel explicatorio. En cambio, las teorías son estructuras conceptuales que proveen alto poder explicatorio pero varían en su capacidad predictiva, un buen ejemplo es la ley de Boyle y la teoría cinética molecular, (véase la actividad leyBoyle). Otra forma muy importante de conocimiento científico se encuentra en los modelos, ampliamente utilizados en el sistema Lidermind®.
   

4. 4.Diferentes niveles de certidumbre. Como en el conocimiento científico no se consideran verdades absolutas, es lógico que haya incertidumbre, tanto en las mediciones como en las teorías. El pensamiento científico es tentativo, evolutivo y no lineal, puede haber cambios bruscos a la luz de nuevas ideas u observaciones, incluso cambios paradigmáticos con nuevas formas de ver las cosas donde varían los valores, las creencias, los supuestos… Una forma de incertidumbre es la propia construcción social del conocimiento.
   

Impedimentos pedagógicos al aprendizaje

Los alumnos, por lo general, creen que las cosas en la ciencia están bien o están mal, que no hay tonos de grises, “que las nuevas ideas substituyen a las viejas que están mal”.

La pregunta que todavía no tiene una respuesta clara, pero que es fundamental, es si los alumnos llevan estas ideas a la escuela o la propia enseñanza inculca estas ideas.

Según Keith Taber, Faculty of Education, University of Cambridge, UK, gran parte de los conceptos que traen problemas serios para el aprendizaje fueron obtenidos en la propia escuela –lo denomina impedimentos pedagógicos al aprendizaje– por sobresimplificación y/o heurísticas para resolver problemas químicos. Todas las actividades del sistema Lidermind en Química han sido sido estructuradas en base a las investigaciones de K. Taber. Con respecto a la Física, es el mismo caso, se han seguido las investigaciones de Ruth W. Chabay & B. Sherwood, Carnegie Melon University y North Caroline State University, y Arnold B. Arons, University of Washington. Con respecto a las mediciones y los niveles de incertidumbre según ISO y GUM nos referimos a las recomendaciones de Saalih Allie, University of Cape Town, South Africa y de Bob Cambell, University of York, UK acordes a la epistemología especificada.

La experiencia del sistema Lidermind® con los docentes corrobora estas investigaciones, la enseñanza de la Química y la Física está plagada de impedimentos pedagógicos al aprendizaje. En cada actividad se intenta revertir este proceso de bloqueo a actuales o futuros aprendizajes. Por ejemplo, en «medicionesAvanzadas» se inicia con la actividad de balanza, donde se calculan incertidumbres respecto a la mejor estimación. Hablar de errores en relación a un valor “verdadero” es absurdo desde el punto de vista de la epistemología de la ciencia ya mencionada.

Según el «aprendizaje basado en problemas y modelos experimentales» se exige a los alumnos explicitar –comunicación oral y/o escrita– los razonamientos y fundamentos dentro de su propio equipo de trabajo, incluso las conversaciones informales, las propuestas de ideas y los argumentos entre ellos, incluida la persuasión. De aquí se obtiene la «epistemología práctica». En este proceso se trata de transformar los datos en evidencias, las evidencias en patrones y modelos, y los patrones y modelos en explicaciones. Según las investigaciones de María del Pilar Jiménez Aleixandre, Universidad de Santiago de Compostela, es conveniente utilizar, dentro de un contexto (véase titulación al final del menú de Química), tres niveles epistémicos:

1. 1. 1.Se traduce, en la práctica, el lenguaje de la observación a la teoría (la observación de un cambio de color y la inferencia del punto de equivalencia).
      

   2. 2.Se utilizan los conceptos como recursos para planear y ejecutar acciones (de la definición de molaridad se prepara una solución de ácido).
      

   3. 3.Se utilizan los conceptos como recursos para interpretar resultados y enmarcar datos anómalos (al realizar los cálculos después del experimento, se encuentran resultados aparentemente anómalos, fruto de las simplificaciones automáticas que usan algunos libros de texto).
      

2. 
   

Gérard Sensevy y Andrée Tiberghien, Universidad de Rennes, Bretagne, France, exponen un ejemplo ilustrativo del clásico experimento de Galileo de los planos inclinados:

1. 1. •Entre el modelo empírico (la caída de una esfera por un canal inclinado) y la teoría (la caída libre de una esfera sin rozamiento).
      

   2. •Entre el modelo y el fenómeno mismo, al diseñar un sistema lento que permitiera medir tiempos de forma rudimentaria.
      

   3. •Entre los datos experimentales y el modelo empírico, al diseñar un reloj de caída de agua que medía tiempos relativos.
      

2. ¿Pero, qué implicaciones tuvo este experimento y otros similares?, ¿por qué se dice que el conocimiento científico inicia con Galileo?, ¿qué tiene que ver esto con la epistemología?
   

Porque fue capaz de conjuntar el diseño experimental con la teoría expresada en el lenguaje de las matemáticas. Pero esto no es todo, hizo algo mucho más creativo, sentó las bases de la “predicción” al límite (volviendo al ejemplo de las esferas en el canal inclinado), imaginó la caída libre en el vacío (sin fricción del aire) en un experimento que no podía realizar (no tenía forma de hacer el vacío, ni siquiera de medir tiempos de caída de pocos segundos). Sólo le faltó una cosa para que fuera ciencia completamente, como la expresamos en los cuatro rubros epistemológicos: el consenso social de una comunidad científica.

Este es un punto central en el sistema Lidermind®, en el diseño de instrumentos de medición se parte del mínimo necesario para evitar las cajas negras y poder desarrollar al máximo la innovación, con el uso de pocos elementos simples, y no solamente simples, sino disponibles en la vida cotidiana.

Epistemologías docentes

Conforme recopila información de los equipos de trabajo, el docente puede instruir consignas y directrices de apoyo a los equipos. Sin suministrar soluciones. En este sentido Malena Lidar, Department of Teacher Education, University of Uppsala, Suecia, considera en sus investigaciones tanto las epistemologías prácticas de los alumnos como las epistemologías de los docentes en sus consignas. Debe considerarse la relevancia de esas consignas: en exceso inhiben y en defecto paralizan el desarrollo del grupo.

Del aprendizaje significativo al aprendizaje sustentable

Un cuestionamiento epistemológico desarrollado por Lydia Galagovsky, del Centro de Formación e Investigación en Enseñanza de las Ciencias de la Universidad de Buenos Aires, considera que el aprendizaje significativo (definido por Ausbel) puede ser significativo pero erróneo (por ejemplo, el impedimento pedagógico citado por K. Taber anteriormente). ¿Cómo suponen los docentes que los alumnos aprenden? Aquí está el cuestionamiento epistemológico. Este modelo no desecha trabajar sobre las ideas previas de los estudiantes, propone anticiparlas para elaborar consignas claras cuya respuesta sea fácil de revelar.

Un concepto sostén, para que se convierta en aprendizaje sustentable, debe estar en el nivel consciente y ser correcto. Para esto se necesita un docente muy atento, capaz de provocar situaciones de interacción y discusión argumentativa entre alumnos hasta facilitar la aparición de los conceptos sostén. La consigna inicial que utiliza el sistema Lidermind® consiste en armar situaciones problemáticas simples, concretas y entendibles para los alumnos, con «modelos cualitativos» que permitan la aparición de los conceptos sostén.

¿Cómo se generan después los conflictos cognitivos para lograr un cambio conceptual?

Si previamente no se han generado los conceptos sostén, el único que se entera del conflicto cognitivo es el docente y no tiene efecto alguno en los alumnos o, lo que es peor, genera angustia.

El aprendizaje sustentable permite continuar con «modelos cuantitativos e instrumentos de medición» en situaciones problemáticas contextualizadas, pero no antes de haber creado los conceptos sostén.