“Año de la Consolidación
Económica y Social del Perú'
La resolución de problemas científicos en el ambito de algunos
conceptos termoquímicos
Palabras clave: Resolución de problemas, situaciones
problematicas, aprendizaje en química, calor, temperatura.
Resumen: En el presente trabajo se analiza cómo los estudiantes se
enfrentan una situación problematica que contiene los conceptos
de calor y temperatura, luego caracterizamos a partir del analisis
descriptivo de sus respuestas, los obstaculos que les impiden una
resolución satisfactoria. En seguida se plantea una
propuesta para la enseñanza de estas tematicas.
Desarrollo
En la actualidad, el conocimiento sobre los fenómenos químicos
contribuye a comprender e interpretar el mundo que nos rodea. Por otro lado, la resolución de problemas en química,
se basa principalmente en la aplicación de fórmulas y relaciones
algorítmicas. Los conocimientos científicos se generan a
partir de la necesidad de resolver situaciones problematicas que
requieren planteamientos nuevos desconocidos hasta ahora (la actividad
científica como
un proceso continuo). Por eso nos parece necesario que los estudiantes, en el
proceso de su formación, tengan ocasión de enfrentar
auténticos problemas científicos con la ayuda del profesorado y
de ensayar las estrategias de solución, que contribuyen a ampliar sus
conocimientos.
Los problemas científicos enla actividad escolar, tienen la facultad de
contribuir al desarrollo de competencias de resolución de problemas, como
lo hacen a menudo los científicos en el mundo real (Quintanilla y
Labarrere, 2002). Por tanto compartimos la idea de que para
aprender, hay que problematizar los ejercicios y actividades que se plantean en
las clases. Quisiéramos hacer énfasis en el hecho de que
“resolver problemas científicos” no significa una
“tarea de hacer”, sino “una actividad científica
verdadera”, con la cual, los estudiantes construyen los nuevos
conocimientos que se consideran fundamentales para desempeñarse como
profesionales competentes en el campo de las ciencias. Si bien, investigaciones
sugieren que el aprendizaje a partir de problemas es un medio disponible para
desarrollar potencialidades en los estudiantes (Birch, 1986; citado por
Campanario, 1999), la forma en la cual éstos se presentan, conduce a los
estudiantes a resolverlos de manera mecanica y sin razonamientos
evidentes y sin profundización en el contenido del mismo, un problema
científico debe requerir un procedimiento de reflexión sobre la
consecuencias de los pasos que seran tomados (Pozo, J. 1998). Es
común, que tanto profesores como estudiantes confundan
ejercicio con
problema. Esto ocurre precisamente porque los docentes no reconocen las
características de los problemas en cuanto a su nivel de dificultad y
desde los procedimientos utilizados para su resolución, elementos que no
encontramos en un ejercicio. (García,
2003). Es por esto que las clases en la cuales
predominen estrategias en resolución de problemas, deberían
generarcambios positivos en los aprendizaje de los estudiantes, promoviendo y
consolidando nuevas formas de raciocinio. Los
profesores deberían proponer a sus alumnos verdaderos problemas y no
ejercicios “tipo”. Estos auténticos problemas deben
ser diseñados de tal manera que puedan
resolverlos a la vez que evolucionan los conceptos previos, el lenguaje y las
experiencias que le proporcionan evidencias. (Gonzalez,
A. 2005). De esa manera el profesor debera ultrapasar la
enseñanza de la resolución de problemas, pasando de esa manera, a
enseñar a su estudiante a proponerse problemas a si mismo, transformando
la realidad en un problema que merezca ser estudiado (Pozo, J. 1998).
Cuando hablamos de problema, nos referimos a una situación que presenta
una oportunidad para los alumnos de poner en juego los esquemas de conocimiento,
que exige una solución que aun no se tiene y en la cual se deben hallar
interrelaciones expresas y tacitas entre un grupo de
factores o variables. (García, 2003). A medida
que las situaciones en un problema se van ampliando,
la solución del
problema representa para el estudiante una demanda cognitiva y motivacional
mayor. La resolución de problemas debe extrapolar la preparación
de los estudiantes al enfrentamiento de problemas y su resolución. Esta
debe permitir que sean empleados de forma mucho
mas amplia, permitiendo un mayor desenvolvimiento profesional y social
en relación a las ciencias, permitiendo el desenvolvimiento de una
autorregulación sistematica de sus aprendizajes.
En el proceso de resolución del problema, las preguntas juegan
un rol fundamental. Marquez y Roca(2006)
Señalan que identificar preguntas y plantearse problemas forma parte del proceso de
“hacer ciencias”. Las buenas preguntas desarrollan los
conocimientos que los estudiantes pueden utilizar para empezar a resolver el problema
(mediante su ‘modelo teórico’ incipiente) y que, gracias a
las buenas preguntas en la resolución de problemas y a las explicaciones
del profesor y de la bibliografía adecuada, pueden evolucionar hasta
alcanzar la meta final, es decir, la resolución del problema y el nuevo
‘modelo’, enriquecido con nuevas entidades científicas,
nuevos lenguajes y nuevos criterios sobre qué se debe o qué no se
debe hacer. Se desarrollan así las competencias de
pensamiento científico de los estudiantes. (Gonzalez,
2005).
Por otra parte, los conceptos de calor y temperatura, tradicionalmente han sido
asociados al campo de estudio de la Física, sin embargo son ampliamente
abordados en los programas de Química
particularmente cuando se estudian algunos aspectos termoquímicos. El
término calor esta presente tanto en el lenguaje cotidiano como
también en el científico y a partir del lenguaje y de las
experiencias de la vida diaria construimos descripciones y explicaciones acerca
del comportamiento y la naturaleza de objetos “calientes” y
“fríos”. (Domínguez
Castiñeiras et al, 1998). En este sentido, con este estudio se
pretende identificar, en las respuestas de los estudiantes a una
situación problematica que incorpora ambos conceptos, cómo
los resuelven, caracterizando los que podrían resultar ser
facilitadores, así como los que se mencionan o se identifican como
obstaculos en el proceso deresolución; y a partir de lo anterior,
proponer algunas sugerencias didacticas y metodológicas en el
estudio de estos conceptos.
Metodología
En este estudio participaron 10 sujetos, todos ellos
estudiantes de 4º año de la Carrera de Química y Ciencias
Naturales. Se les pidió que resolvieran por escrito un
problema de termoquímica. Ademas se les
pidió verbalmente, que escribieran las dificultades que se les iban
presentando, ademas de los calculos matematicos
pertinentes para la resolución. Para
esto, contaron con un tiempo de 20 minutos. Con esto,
se pretende examinar cómo los estudiantes se enfrentan a la
resolución de un problema. Lo interesante
radica en detectar los posibles obstaculos a los cuales ellos se
enfrentan ante algún problema en particular, ademas de los que
ellos señalas explícitamente. La elección de este problema se debió a que en él
estan presentes los conceptos de calor y temperatura dentro de una
situación contextualizada.
Los datos fueron extraídos de las anotaciones hechas por los
estudiantes, tanto la información numérica, como los escritos
(obstaculos detectados por ellos en el proceso de resolución). El
problema sugiere la utilización de un
instrumento llamado calentador por inmersión (ver figura 1), el cual
proporciona potencia a una razón fija. Muchos tienen una potencia de
200W, lo que significa que la salida de energía puede calcularse usando
la fórmula P =E/t donde P es la potencia, E es la energía
transferida desde el calentador hacia el agua y t es el tiempo.
Figura 1. Calentador por inmersión[1].
PROBLEMA: Usando un calentador por inmersión de 200
W¿Podrías calentar 250 g de tu frío café (que es
mayoritariamente agua), el cual esta contenido en un tazón de
masa 0,380 kg (c= 0,650 J/g°C), desde 20°C hasta una temperatura (en
que se pueda beber) de 92°C en los 3 minutos que tienes de descanso? ¿Cuales son las suposiciones que realizaras en
tus calculos?
La resolución del problema nos muestra que no es
posible calentar el café en el tiempo permitido. Eso si,
se debe considerar el tazón, dado que el experimento fue
realizado en un corto período de tiempo.
Entre las suposiciones que los estudiantes podrían hacer
- El tazón y el café estaran siempre a la misma
temperatura.
- Para la capacidad calórica específica del café,
consideraremos la misma que el agua (4,184 J/gºC) ya que en el problema se
menciona explícitamente que el café es “mayoritariamente
agua”
- Considerar no se pierde calor hacia los alrededores. Algunos
estudiantes podrían asumir que si el tazón esta hecho de
materiales aislantes, por lo tanto se transfiere muy poco o nada de calor.
En cualquiera de los casos, el calentador no proporciona la
cantidad necesaria de energía en el tiempo permitido.
Se realizó un analisis cualitativo de
las respuestas de los estudiantes. Para esto,
el diseño escogido fue un estudio de casos
múltiples, ya que se utilizaron varios casos únicos para estudiar
la realidad deseada. (Rodríguez, Gil, 1999). En
este caso en particular interesa describir y explicar
cómo los alumnos se enfrentan a la resolución de un problema de
termoquímica.
Analisis preliminar
Para la comprensión del problema
propuesto, se hace indispensable la ayuda de undibujo el cual pudiese facilitar
la comprensión del
fenómeno que esta ocurriendo. Sin embargo, la mayoría de
los estudiantes no elaboran graficos o diagramas para ayudarse y tampoco
piensan en las diferentes formas y métodos que pudiesen existir para
resolverlo. (Fortunato, 1991; citado por García 2003).
Si bien, sólo una estudiante lo hace, pero el dibujo propuesto es
incorrecto, lo que evidencia una falta de entendimiento del sentido del problema.
En relación al instrumento a utilizar, una
estudiante escribe lo siguiente: “no recuerdo lo que significa que es un
calentador por inmersión, por lo tanto sólo asimilaré que
la energía 200 W es constante”. Si bien la unidad mencionada
corresponde a potencia y no a energía, este
hecho puede sugerir que, en algunos casos, los estudiantes no comprender el
problema por un desconocimiento, por ejemplo, del aparato utilizado.
Otro aspecto a analizar tiene que ver con la manera
que se relacionan los estudiantes con los datos. Esto lo podemos asociar con el
modelo tradicionalmente de enseñanza y es que para abordar un problema es necesario primeramente extraer los datos que
se proporcionan. Los estudiantes mientras van leyendo, inmediatamente comienza
la extracción de los datos, sin necesariamente comprender el objetivo del
problema, sin tener en cuenta el porqué utilizan uno u otro proceso en
la resolución. (García, 2003). Para este estudio, ocho de los diez estudiantes inician la
resolución del
problema escribiendo los datos con los cuales cuentan para llevar poder
resolverlo, sin embargo, ninguno de ellos lo logró.
En relación a la obtención de un resultado,sólo
un estudiante fue capaz de determinar la energía que necesita el
café para calentarse, pero este valor obtenido es erróneo ya que
utiliza el valor de la masa del tazón
en vez de la masa del
café.
Seis de los estudiantes expresan que no recuerdan la
fórmula para resolver el problema. Esto constituye un obstaculo para continuar el desarrollo del problema y se
detienen en ese punto. Este aspecto es importante de considerar, tomando en
cuenta lo esencial que resulta para los estudiantes memorizar y recordar una
gran cantidad de fórmulas a la hora de resolver un
problema. La mayoría de los estudiantes necesitan los conceptos, las
leyes y las fórmulas para la resolución de problemas y le
“dan una importancia predominante a encontrar
una fórmula o un algoritmo.” (Nakhleand, 1980;
citado por García, 2003).
Lo anterior corresponde a algunos de los elementos
identificados en las respuestas analizadas. Sin duda es posible
encontrar muchos mas.
Propuesta Metodológica y Didactica
Cuando un profesor inicia una unidad tematica,
en la cual estan presentes conceptos como temperatura y calor, debería
hacerlo tomando en cuenta las ideas previas de los estudiantes. Los profesores
deberían informarse sobre las (pre)concepciones y habilidades de sus
alumnos, así como
sobre sus dificultades para entender temas científicos y para resolver
problemas practicos. (De Jong, 1998). Y sin
dejar de considerar lo siguiente
Algunos estudiantes confunden los conceptos calor y temperatura, incluso
algunos pueden pensar que son lo mismo. Esta confusión
surge debido a que en los cursos basicos, no se presta atención
adesarrollar ideas que aclaren el significado que distingue cada uno de estos
términos y la relación entre ellos (Arons, 1990). Sin
embargo sabemos que la
temperatura es una medida relativa de qué tan caliente o frío
esta un objeto. Específicamente, la
temperatura es un indicador del nivel de
energía interna del
objeto, medida en una escala estandarizada 2]. Calor
es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que
estan a diferente temperatura[3]. Las temperaturas de los dos objetos permiten predecir el sentido de
la transferencia de energía. A pesar que el
calor y la temperatura estan relacionados, no son lo mismo. En
esta línea, Amaral y Mortimer (2001) citados por Dumrauf, A. y Cordero,
S. (2004) desarrollaron una descripción del perfil conceptual para la
noción de calor, que establece cinco zonas:
- Realista: Vincula la idea de calor estrictamente a las sensaciones y en ella
se encuentran las ideas de sentido común relativas al calor y a la
temperatura.
- Animista: el calor es considerado una sustancia viva con una fuerza motora
inherente, y llega a pensarse que los objetos o materiales “desean”
dar o recibir calor.
- Substancialista: plantea al calor como una sustancia que puede
penetrar otros materiales.
- Empírica: esta relacionada con el desarrollo del
termómetro, la medición de la temperatura y la consecuente
diferenciación entre calor y temperatura.
- Racionalista: el concepto de calor deviene una relación entre
variables (la diferencia de temperatura y el calor específico de un sistema en interacción con su entorno), y al ser
pensado como
una relaciónentre magnitudes adquiere un caracter racional.
Esta propuesta permite a los estudiantes trabajar con los conceptos de calor y
temperatura, introduciendo rapidamente el concepto de temperatura y sus
mediciones y desde ahí avanzar hacia la exploración del
calor con otro tipo de actividades. Posteriormente es posible desarrollar la
relación, Q=mc(T, para así terminar con
actividades en donde los estudiantes apliquen sus conocimientos desarrollando
problemas que los enfrenten a diferentes tipos de situaciones en las cuales tengan
que relacionar todos los conceptos estudiados anteriormente.
Considerando todas las características descritas anteriormente, es que
esta propuesta sugiere el uso de este tipo de material
para realizar actividades practicas de transferencia de calor. Ademas
que permiten realizar calculos sencillos acerca de las magnitudes de la
energía y las variaciones de temperatura, así como se entender el
fenómeno en su totalidad.
Algunas conclusiones preliminares
En el ambito de una ‘nueva cultura docente de la enseñanza
de las ciencias’ es de relevante importancia la promoción de
competencias que permitan al estudiante afrontar situaciones diversas, sobre la
base de un cierto dominio de habilidades. Estas competencias representan una
combinación dinamica de atributos en relación a
conocimientos, habilidades, actitudes, valores y responsabilidades que
describen los resultados de aprendizaje dentro de un programa educativo mucho
mas amplio y enriquecedor, en el que son capaces de demostrar de manera
no reproductiva que han aprendido a comprender la ciencia “aprendiendo
aenfrentarse a resolver problemas mas que a resolverlos
instrumentalmente”.
A partir de las anotaciones registradas por los estudiantes, es posible
detectar algunos elementos distintivos, los cuales se repiten dentro de un mismo grupo, con características similares.
Los analisis respectivos de las respuestas de los estudiantes, nos
muestran algunos aspectos significativos
• Los estudiantes se aproximan a los problemas propuestos de manera
mecanica, automatica y sin una reflexión profunda relativa
al sentido del
problema.
• Los estudiantes atribuyen grande importancia a los datos, formulas y
resultados los cuales resultan ser obstaculos en la posterior
resolución y no permiten a los estudiantes llegar una respuesta buscada.
• Aspectos como
la comprensión del problema, la
planificación en la resolución del
mismo, y el uso de diagramas, no se evidencian en las respuestas de los
estudiantes; elementos que podrían resultar claves para un buen
entendimiento del
problema.
En el evento del
que hacemos parte esta comunicación, esperamos compartir algunos
hallazgos interesantes en este sentido, derivados de nuestro proyecto de
investigación FONDECYT 1070795 ‘Identificación,
caracterización y promoción de competencias científicas en
estudiantes de enseñanza media mediante el enfrentamiento a la
resolución de problemas. Un aporte al mejoramiento de
la calidad de los aprendizajes y a la reforma’ que dirige el segundo
autor de esta comunicación.
[1] Definición extraída del
libro Química de R. Chang. (2002
[2] Definición extraída del
libro Química de R. Chang. (2002)
