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La ciencia, el método científico y los procesos científicos



LA CIENCIA, EL MÉTODO CIENTÍFICO Y LOS PROCESOS CIENTÍFICOS



En términos sencillos, cuando hablamos de método científico hacemos referencia a una forma, a un estilo de pensamiento y de acción que es propio del trabajo del hombre de ciencias. El método supone una serie de pasos que pueden simplificarse así:

• planteamiento del problema que se va a investigar,
• formulación de hipótesis como explicaciones provisorias,
• realización de un diseño experimental e interpretación de los resultados, y
• conclusiones.

Esta sistematización puede considerarse ideal aunque no necesariamente se aplica en la practica tal como funciona “el método” en un laboratorio de alta tecnología. Pero, simplificando, un niño puede proceder “como un científico… tanto en la forma de pensar, como en la forma de actuar”. El método tiene validez en términos generales y es extraordinariamente proyectivo para el enfoque del currículo escolar, con algunas limitaciones referidas al método mismo y al papel de las teorías científicas.



Por otra parte, los procesos científicos constituyen el conjunto de actividades y destrezas de orden intelectual y manual que realiza el hombre de ciencias cuando acomete una investigación: observa, mide, controla variables, interpreta datos, formula hipótesis, predice, experimenta, etc. (La reforma educacional de 1965 introdujo el llamado enfoque procesal para la enseñanza de las ciencias como oposición al enfoque centrado en el conocimiento o producto de la ciencia. Una distorsión se produjo cuando los procesos se trataron en forma aislada, como ejercicios para el desarrollo de habilidades y destrezas… de hecho importantes como objetivos del aprendizaje de las ciencias), pero desprovistos de sustrato o contenido científico.

La línea procesal para la enseñanza de las ciencias es un antecedente valido, vigente, para un enfoque inductivo, donde el acento esta puesto en la forma en que el científico elabora teorías para explicar hechos y fenómenos. Esta metodología, aún con sus facetas vulnerables, es extraordinariamente útil para el trabajo en el aula, pero requiere de profesores preparados para llevarla a cabo. Tal vezpor este motivo, y porque, ademas, requiere de la constante preocupación y preparación del profesor se cae en el enfoque tradicional, mas facil de implementar ¡e impartir! ¡Se trata de transmitir conocimientos, con algunas demostraciones, usando el texto de estudio como guía y motor del aprendizaje!



Observar

Es un proceso científico basico. Observar significa hacer una descripción de un objeto o fenómeno empleando todos los órganos de los sentidos. La observación, por consiguiente, no es sólo visual, sino que debe incluir datos recogidos por el oído, tacto y olfato. (Las observaciones gustativas y olfatorias tienen las obvias limitaciones derivadas de la naturaleza o especificidad de lo que se observa).

Las observaciones pueden ser de dos tipos: cualitativas y cuantitativas. Las primeras se refieren a aspectos externos como forma, color, tamaño, textura, olor; las segundas, en cambio, incluyen datos numéricos sobre determinadas características: peso, longitud, grosor, temperatura, etc.

Otro aspecto importante para el hombre de ciencias es la observación de cambios: los eclipses, la rotación terrestre, el comportamiento de los animales, la germinación de las semillas, el crecimiento de un bebé, son cambios de gran interés para los científicos. Por ejemplo, se puede observar una tableta efervescente describiendo su forma, color, diametro, grosor, peso, dureza, sabor, olor, usando todos los órganos de los sentidos. Pero si la tableta se coloca en un vaso con agua se producira un cambio: la tableta se disuelve, burbujea, etc. En este caso, la tableta interactúa con el agua, produciéndose un cambio. A nivel escolar basico una de las observaciones mas frecuentes se vincula con semillas como objetos estaticos y en proceso de cambio (germinación). Otra observación clasica: terrones de azúcar.

Inferir

Es una interpretación, una explicación, una deducción, referida a un hecho o fenómeno. La inferencia debe ser razonable; puede ser mas útil que la observación misma, pero es necesario verificar su validez.

Las inferencias forman parte de lo cotidiano; miramos el cielo y deducimos si habra o no lluvia; observamos las huellas de unos neumaticos en elpavimento y podemos interpretar si el automóvil iba a una determinada velocidad y -realizando otras observaciones - podemos hasta determinar si el conductor fue o no culpable del accidente.

La ciencia progresa investigando si las inferencias son correctas: “voy a averiguarlo”… dice el científico.

Para una situación cualquiera pueden formularse varias interpretaciones. Por ejemplo:
Observaciones: En el patio de una escuela se observa un vidrio roto, produciéndose gran ruido. Dos alumnos, al oír el ruido, salen corriendo.
Inferencias:

a) Los alumnos han roto el cristal.
b) Los alumnos no han roto el cristal.
c) Desde afuera, alguien ha lanzado una piedra que rompió el cristal.
d) El vidrio estaba mal colocado. El viento, al azotar la ventana, lo soltó definitivamente.

En estos casos las inferencias tienen algún fundamento. Para verificar cual de ellas es verdadera debe realizarse una pequeña investigación que establezca una relación entre el hecho observado y su posible causa.

Medir

Es el proceso que suministra datos cuantitativos sobre un objeto o fenómeno. Se expresa a través de un número y una magnitud: 18 cm, 23ºC, 18 kg. La medición, en el fondo, es una observación cuantitativa y suele dar mayor significación a la observación cualitativa. Es distinto decir el agua esta tibia que decir que tiene una temperatura de 22ºC.

Cuando se mide, se compara una magnitud con otra que es la unidad patrón o estandar; de esta forma, cuando se dice que un saco de harina tiene una masa de 44 kilos se hace referencia a la unidad patrón; el kilogramo: el saco de harina tiene una masa 44 veces la unidad patrón.

Las unidades de medida se han acordado internacionalmente; de esta forma, la uniformidad facilita la comunicación, haciéndola entendible independientemente del lugar en que se haya realizado la medición. A nivel escolar los niños deben familiarizarse con la medición de longitudes (usando primero unidades arbitrarias y después unidades estandar); volumen, masa, temperatura, etc. Unidades arbitrarias a nivel escolar: paso, pie, cuarta…

Clasificar

Consiste en separar y agrupar los elementos de un conjunto,considerando una o mas propiedades comunes.



El hombre emplea clasificaciones en las mas variadas actividades. Por ejemplo, las tiendas estan clasificadas según la función que cumplen: zapaterías, panaderías, ferreterías, carnicerías, etc. En una biblioteca, los libros suelen estar clasificados por materias: arte, ciencia, literatura, economía, etc. En la guía telefónica, los abonados estan clasificados por ciudades, en un orden alfabético. En todos los casos se hace una ordenación. El orden realizado depende de los objetivos que se persiguen y, también, de la naturaleza o características de lo que se quiere clasificar.

Las clasificaciones constituyen una forma de simplificar el estudio de ciertos hechos, objetos o fenómenos. Por ejemplo, la materia puede clasificarse en sólida, líquida y gaseosa, según su estado físico; los elementos químicos pueden clasificarse en metales y no metales; los animales, en vertebrados e invertebrados.

En la escuela también se presentan y realizan una serie de clasificaciones: los alumnos se agrupan en orden alfabético; en las formaciones previas a la entrada a clases, los niños se ordenan de acuerdo a su estatura, etc.

Cuando se realiza una clasificación se observan determinadas características de los objetos, seres vivos o fenómenos, que se llaman criterios de clasificación. Por ejemplo, se clasifican objetos según su brillo (opacos, brillantes); color (azul, verde, negro); dureza (blandos, duros), etc. Clasificamos o agrupamos a seres vivos según el ambiente en que viven (terrestre, acuatico, aéreo); según su tipo de respiración (branquial, pulmonar, cutanea, por ejemplo); según su cubierta corporal (plumas, pelos, escamas), etc.

Comunicar

Los hombres de ciencia necesitan divulgar sus hallazgos; necesitan transmitir a otros lo que han hecho. Para ellos es imperativo comunicar los resultados de su trabajo. Nadie trabaja aislado del resto de la comunidad científica. Es mas, la comunicación es fundamental: permite a un investigador de un tema específico conocer lo que ya se ha hecho. Así se evitan pérdidas de esfuerzo y de tiempo.

La comunicación debe ser clara y precisa para no inducir a error, y para que otrosinvestigadores, reproduciendo las mismas condiciones, puedan obtener los mismos resultados: la replicabilidad de la investigación constituye un antecedente de su confiabilidad.
Los datos cuantitativos que comunica el científico suelen presentarse en forma de tablas y graficos.

Los graficos constituyen una representación de datos numéricos: temperatura de determinadas regiones durante un período, relación entre masa y volumen de una sustancia, proporción de gases en el aire, contenido de ciertos alimentos en calorías

• Algunas formas de graficos son:
-de barras
-de curvas
-pictogramas
-circulares

Graficos de barras

En este tipo de representación grafica, la longitud de las barras -verticales u horizontales- expresa el valor de la variable que se desea representar.

Se usan graficos de barras cuando una de las variables -a lo menos- no tiene valores intermedios, y se expresa en unidades enteras, no fraccionables. Este tipo de variable se llama discontinua y convencionalmente se coloca en el eje horizontal. Las variables que cambian y poseen valores intermedios, se llaman continuas y se ubican en el eje vertical.

Al construir un grafico de barras deben considerarse aspectos como los siguientes:
- La longitud de los ejes debe ser similar;
- La variable discontinua se anota en el eje horizontal;
- Para cada variable se elige una escala apropiada, marcandose los valores principales en los ejes;
- Todas las barras deben tener el mismo ancho, y la distancia entre una y otra ha de ser igual a la mitad del ancho de cada barra;
- Cuando existen variables continuas, deben indicarse en el eje respectivo las unidades de medida empleadas: cm, °C, km, etc.
- En la parte superior de cada barra hay que anotar el valor que le corresponde, según la tabla.

Grafico de curvas

El grafico de curvas se emplea cuando las variables son continuas.
Para construir un grafico de curva se debe tener en cuenta las recomendaciones ya citadas para el grafico de barras.

Convencionalmente se suele colocar la variable dependiente y en el eje vertical y, la independiente (x), en el horizontal.

Una vezfijados los ejes y sus escalas, se procede a marcar los puntos, que estan determinados por la tabla de valores: cada punto del grafico queda definido por dos valores, uno de cada variable.

Graficos circulares

Constituyen una alternativa de los graficos de barras. Son muy utilizados cuando una variable se expresa en porcentaje. Para construirlos es necesario considerar que la circunferencia mide 360º y que esta magnitud equivale al 100%. Por ejemplo, si se tiene una tabla de notas de un curso (100%), donde el 45 % obtiene nota 4, un 26% nota 5, un 20 % nota 6 y un 9 % nota 7, se puede construir un grafico circular partiendo con una simple regla de tres:
El 100 % equivale a 360º
45 % equivale a X

Donde X = 360 x 45 = 16200
16.200 : 100 = 162 º

Luego, con un transportador se marca esa cifra en la circunsferencia. Y así sucesivamente con el resto de los datos.

Pictogramas

Son graficos donde una variable se representa con un dibujo esquematico. Por ejemplo, si se habla de precipitaciones (mm de agua caída en un período determinado), esta variable se puede representar con un paraguas. Como referencia se debe incluir un dibujo que identifique un número entero de dicha variable.

Por ejemplo:
Precipitaciones acumuladas (mm) en ciudades de Chile, a mayo de 2002
Santiago 150

Valparaíso 220

Valdivia 850

Con una tabla de este tipo se puede señalar el dato base, donde “un paraguas de determinado tamaño” representa 100 mm de agua caída.

REPRESENTACIONES GRAFICAS

|Estatura de modelos chilenas | | | | | | | |
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|[pic] | | |
| |PICTOGRAMA | |

Definir operacionalmente

Es establecer el significado de un objeto o fenómeno, describiendo las propiedades o las operaciones quepermiten caracterizarlo.
Estas definiciones describen características visibles, ademas de los cambios que se observan cuando se producen algunas manipulaciones o interacciones. La definición operacional informa sobre lo que hay que observar y las operaciones o actividades que se deben realizar para caracterizar adecuadamente lo que se esta definiendo.

Por ejemplo, el oxígeno, gas que forma parte del aire- podría definirse operacionalmente de la siguiente manera:
Gas incoloro e inodoro que ayuda a arder, manteniendo las combustiones.

Otro gas, el dióxido de carbono, podría definirse como gas incoloro e inodoro que inhibe las combustiones y que enturbia una solución incolora de agua de cal.
Estos dos ejemplos ilustran observaciones, la producción de cambios y cómo se efectúan.

Las definiciones no operacionales se plantean a un nivel mas teórico, sin considerar necesariamente observaciones directas. Así, el oxígeno podría definirse como un elemento químico de masa atómica 16 cuyo símbolo es O, que tiene una molécula formada por dos atomosToda esta información, si bien constituye una definición, no resulta de la observación directa ni de interacciones o cambios observables. Por lo tanto, no es una definición operacional.

Otro ejemplo: un circuito eléctrico simple podría definirse de la siguiente forma:
-Describiendo todos sus componentes.
-Observando los cambios que se producen cuando los componentes interactúan.

Por ejemplo, se podría definir un circuito eléctrico sencillo señalando que esta formado por una pila, un conductor eléctrico y una ampolleta, que al disponerse de cierta forma producen un cambio característico: la ampolleta se enciende, produciéndose dos hechos perceptibles: luz y calor.

Predecir

Es un pronóstico razonable y verificable, sobre un hecho o acontecimiento nuevo o desconocido. Se caracteriza por anticipar lo que va a ocurrir; la inferencia, en cambio, explica o interpreta lo que ya ha ocurrido.

Se predicen fenómenos como las horas de salida y la puesta del Sol, los eclipses, el tiempo atmosférico, etc. Las predicciones tienen su base en observaciones, mediciones e inferencias; una predicción que no se sustenta enantecedentes serios no es científica: es un adivinanza o conjetura. Un meteorólogo, por ejemplo, fundamenta sus predicciones en una serie de observaciones (datos) que provienen basicamente de dos fuentes: estaciones meteorológicas terrenas y oceanicas, y satélites meteorológicos. Ademas, el meteorólogo conoce perfectamente cómo se relacionan los factores del clima y fundamenta sus predicciones en la historia de sus registros y en las regularidades.

El hombre de ciencia, precisamente, registra e interpreta las regularidades observadas para formular sus predicciones.

Existe una estrecha relación entre hipótesis y predicciones. Las hipótesis son explicaciones de caracter provisorio para un conjunto de hechos o situaciones. A partir de ellas se pueden formular predicciones. Si éstas se cumplen, las hipótesis pueden seguir considerandose validas; si no se cumplen, deben rechazarse o modificarse. Por ejemplo:

Se ha observado que los murciélagos son capaces de orientarse en la mas completa oscuridad sin chocar nunca con obstaculo alguno. ¿Cómo se explica este hecho?

Hipótesis 1. La visión les permite una orientación perfecta.
Hipótesis 2. La audición les permite una perfecta orientación.

A partir de la hipótesis 1 se puede establecer una predicción como la siguiente: Si a los murciélagos se les priva de la vista, no podran orientarse. Se comprueba después si esta predicción es valida, verificandose que, aun ciegos, los murciélagos siguen orientandose sin problemas. En este caso, la predicción no se cumple y la hipótesis debe modificarse.

Al analizar la predicción que surge de la hipótesis 2 se realiza el siguiente experimento: se colocan unos tapones de latón en los oídos de un grupo de murciélagos, comprobandose que estan desorientados y chocan contra los obstaculos. La predicción es verdadera, lo que da fundamento a la hipótesis respectiva.

• Interpretar datos

Los datos el resultado del trabajo científico y constituyen elementos que se someten a estudio, analisis e interpretación. La interpretación de datos es una de las etapas mas importantes del trabajo científico, porque se proyecta en las conclusiones.

Unaadecuada interpretación de datos se fundamenta en un diseño experimental adecuado a la naturaleza del problema que se investiga; en la realización de observaciones y mediciones cuidadosas, y en el empleo de técnicas de investigación adecuadas. Los datos mismos tienen poco interés por sí mismos; lo importante es la nueva luz que surge al examinarlos; las generalizaciones que se pueden formular y las nuevas preguntas que plantean principalmente.

En ciencias, los datos se suelen presentar en forma de tablas, graficos, esquemas, etc. No hay ciencia sin datos; no hay investigación científica sin interpretación de datos. Por una parte es necesario ser riguroso para obtener datos; por otra, es fundamental ser muy cuidadoso para interpretarlos: las generalizaciones precipitadas no forman parte del trabajo propiamente científico.

Al investigar, por ejemplo, la rapidez de evaporación de un líquido en función de determinados factores, el resultado del trabajo sera una información, datos cuya interpretación permitira establecer determinadas conclusiones. Por cierto que un buen trabajo experimental es la condición indispensable para obtener datos fiables y validos. Si las observaciones y mediciones realizadas, las técnicas empleadas y el control de variables no son confiables, los datos obtenidos carecen de validez. Ademas, los datos no pueden someterse a analisis si no constituyen un volumen tal que permita establecer conclusiones.

Esto significa que hay una relación estrecha entre el volumen de información obtenida y las conclusiones que se puedan formular.
Si se esta investigando, por ejemplo, en qué medida influye una dieta determinada en el desarrollo de las aves de corral, no sera suficiente realizar tres o cuatro mediciones Ademas de precisar bien las condiciones experimentales y realizar un adecuado control de variables sera imprescindible obtener un volumen de datos que permita una conclusión de caracter general.
No hay reglas precisas para determinar cual es este volumen de datos; pero el experimentador lo determina considerando fundamentalmente la naturaleza de la investigación que realiza y las normas de caracter general que rigen en la comunidad científica.

Finalmente,también es importante la obtención y el analisis de datos que guarden relación con el problema, lo que significa que si bien el caudal de información que se obtenga es importante, también lo es que dicha información sea atingente al problema.

Controlar variables

Cualquier factor que influye en un hecho o fenómeno es una variable. Controlar variables implica, en primer lugar, la identificación de los factores que influyen en un determinado fenómeno, en segundo lugar, manipular una variable y mantener constantes (controladas) todas las demas. Por ejemplo, la temperatura, humedad ambiental, vientos, presión atmosférica, son factores o variables del clima; la edad, el sexo, condiciones de higiene y alimentación, son variables que influyen en el desarrollo (estatura, peso, salud) de un ser vivo.

Cuando se realiza un trabajo experimental hay que establecer las posibles relaciones entre las variables, que se suelen clasificar en tres categorías; variable manipulada o independiente; variable respuesta o dependiente, y las variables constantes o controladas, que no cambian.

Veamos un ejemplo: si se estudia el crecimiento de un polluelo en función del tiempo, la variable manipulada, independiente, es el tiempo: el observador decide durante qué período lo medira. El crecimiento (medido en función del peso, principalmente) es la variable dependiente o respuesta. Esta relacionada con el tiempo, dependiendo de él. La variable experimental podría ser un tipo particular de alimentación que suponemos influye en el desarrollo. Es decir, la variable experimental sería el alimento. Otras variables se mantienen controladas, sin modificarse en todo el período que dure el experimento; por ejemplo, cantidad de alimento, calidad del alimento, temperatura ambiental, peso inicial de los polluelos, períodos del día en que reciben alimentación, etc.

Para un investigador es fundamental identificar las variables que pueden influir en un determinado fenómeno y realizar un adecuado control de variables. También es importante considerar el experimento control o testigo. Para el caso de los polluelos, si se investiga que una determinada dieta -variable experimental- influye en el desarrollo de lospolluelos, se separa un grupo experimental (que recibira la dieta especial), y otro grupo, control, que tiene las mismas características que el grupo experimental, pero que recibe la dieta considerada usual o normal. El experimento control permite una comparación de resultados: las diferencias, entonces, se pueden atribuir a la variable que se manipula.

• Formular hipótesis

Las hipótesis son explicaciones tentativas, provisorias; son aproximaciones a la verdad que se formulan para explicar determinado hecho o fenómeno.
Las hipótesis siempre son suposiciones inteligentes, sean o no susceptibles de verificación experimental. Un aspecto importante de las hipótesis es que permiten predecir, es decir, anticipar que se produciran hechos o situaciones determinadas. Si las predicciones se cumplen, la hipótesis puede considerarse una suposición razonable que debe ser sometida a nuevas pruebas.

Si por ejemplo, decimos que en la velocidad de una reacción influye el tamaño de las partículas, podríamos diseñar un experimento, usando tabletas efervescentes en distintas condiciones: entera, partida en dos trozos, en cuatro, y en polvo. En cada caso mantendríamos controladas la temperatura y la cantidad de agua. La variable experimental es el tamaño (estado de agregación); la variable respuesta sera el tiempo de reacción, medido en segundos.

El control de variables implica mantener constantes factores como: volumen de agua, temperatura del líquido, etc. La variable respuesta -tiempo de reacción- se mide usando un reloj con segundero.

Las hipótesis no pueden considerarse como verdades inamovibles; en el mejor de los casos deben aceptarse como parcialmente verdaderas. Esto supone una actitud no dogmatica, y la apreciación de la ciencia como un proceso evolutivo, cambiante: una afirmación puede ser corregida por una investigación posterior que plantee nuevas observaciones y nuevos hechos. Esta es la base del progreso de la ciencia.

Experimentar

Este proceso representa el arte verdadero de los hombres de ciencia. La ciencia sólo inició su etapa de avance cuando Galileo, en el siglo XVII inventa el método científico experimental.

El experimento se define como larespuesta a una hipótesis y una forma de probar su validez; el experimento siempre se plantea con un propósito definido, y su diseño debe considerar las hipótesis y las predicciones que se han formulado.
A través del experimento se obtienen datos que es necesario interpretar para llegar a determinadas conclusiones.

1. Supongamos la siguiente hipótesis:

• Cuando una tableta efervescente reacciona con agua, no hay pérdida de masa. Dicho en términos cuantitativos:

Vaso + tableta + agua = masa del vaso + agua + tableta disuelta

• Basandonos en esta hipótesis, podríamos predecir que:

Si se pesa el sistema vaso-agua-tableta antes y después de la reacción, la masa sera la misma. Ahora bien, al hacer las pesadas correspondientes, comprobamos que la masa ha disminuido después de la reacción.

Sobre lo que ha ocurrido podríamos formular otras hipótesis:
2. Efectivamente, en la reacción hay pérdida de masa.
3. En la reacción descrita, algún producto de la reacción se escapa.

Observemos que la hipótesis 2 es contraria a la hipótesis 1, ya que se contradice con ella. Sin embargo, la hipótesis 3 es concordante con la 1. Una predicción valida para ambas sería la siguiente:

Si se trabaja en un sistema cerrado, no habra pérdida de masa. El experimento es precisamente lo que nos permitira probar la predicción y, consecuentemente, la validez de nuestras hipótesis. El experimento requiere de un plan o diseño: debemos disponer de un sistema cerrado de tal forma que estemos seguros de que no hay escapes. Un diseño apropiado sería el siguiente: disponer de un matraz con tapón de cierre hermético, con un volumen de agua. En el interior de una bolsita de gasa colocaríamos la tableta, suspendiéndola del tapón con una cuerda.

Pesaríamos este sistema, anotando el valor obtenido. Luego volcaríamos el matraz para provocar la reacción en su interior. Una vez que ésta haya cesado, pesamos nuevamente el sistema. Si el valor ahora obtenido es igual al anterior, tendríamos antecedentes como para afirmar que la predicción es valida y que, por consiguiente, las hipótesis 1 y 3 las podemos seguir considerando aceptables. En cambio, rechazaríamos la hipótesis 2.

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