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Capítulo 2

Las concepciones alternativas de los estudiantes y su relación con las bases neurobiológicas del aprendizaje

Martina Valencia4 y Dirk Krüger5

Resumen

Este capítulo provee de una aproximación teórica a la naturaleza de las concepciones alternativas de los estudiantes de biología. Se explicita la relevancia de contemplar estas concepciones en el proceso de enseñanza, planteando estrategias para desarrollarlas adecuadamente. También analizamos los enfoques teóricos —a nuestro parecer los más importantes— contextualizados en un ambiente constructivista, así como los aspectos teóricos del cambio conceptual. Por otra parte, y porque es estrecha su relación con el origen y la transformación de las concepciones, a lo largo del capítulo se presentan aproximaciones y conexiones a las bases neurobiológicas y a los factores que influyen en el aprendizaje, principalmente a la neurobiología subyacente al cambio conceptual.

1. Introducción

¿Qué es aprender? Aprender es tomar, atrapar con el pensamiento: llevarse una porción de la realidad y un modelo de la estructura del mundo. Es decir, el aprendizaje permite que el cerebro atrape una porción de la realidad que antes le era ajena y la use para construir una nueva representación del mundo, un modelo interno del mundo exterior (Dehaene, 2019). Entonces, nuestro cerebro es portador de miles de modelos internos que equivalen a maquetas o modelos a escala, más o menos fieles a la realidad que representan.

Desde una perspectiva biológica, el aprendizaje es un proceso fundamental para la supervivencia de cada persona, puesto que el equipamiento innato dotado genéticamente con el que hemos llegado a este mundo no es suficiente para proporcionar los conocimientos que nos permitan sobrevivir y reproducirnos en un ambiente específico (Buzsaki, 2013). Por ejemplo, tenemos en nuestro cerebro un plano de nuestro barrio, un mapa mental de nuestra casa, del trayecto que usamos frecuentemente; incluso podemos cerrar los ojos y verlos con el pensamiento. Por supuesto, nadie nació con ese mapa mental, sino que cada cual tuvo que adquirirlo mediante el aprendizaje, lo que a fin de cuentas nos permite, entre varias cosas, optimizar el tiempo, no extraviarnos y garantizar nuestra seguridad, aspectos inherentes a nuestro sistema de supervivencia.

A los procesos neurobiológicos del aprendizaje subyacen facultades cerebrales de orden superior cuyo principal objetivo es procesar la información proveniente del entorno y del propio organismo, almacenarla en centros de procesamiento de modo de poder recuperarla cuando sea necesario y utilizarla en el cumplimiento de metas. Ese proceso, además, incorpora hábitos, actitudes e intencionalidades, que finalmente se manifiestan en cada individuo como conceptos, visiones, representaciones, tanto de la realidad como de sí mismo, y habilidades que pueden conllevar a una vida próspera y socialmente bien integrada (Lavados, 2012).

El aprendizaje es altamente dinámico; se desarrolla desde el último período prenatal hasta la vejez, en la cual la plasticidad inherente a su diseño permite que siempre se estén procesando nuevas experiencias, las que nunca cesan ni son idénticas entre sí, y que constantemente se van constituyendo como nuevos conocimientos. Por lo tanto, es posible señalar que siempre se está aprendiendo, desde el inicio de nuestras vidas hasta nuestra muerte. En este contexto, el proceso de plasticidad cerebral es el que le permite a cada individuo realizar un ajuste conductual a su entorno, al ir presentando incesantemente nuevas capacidades a través del desarrollo y maduración del proceso de aprendizaje (Wesson, 2001).

En este sentido, según Cozolino (2013) la enseñanza es un proceso neurobiológico donde el profesor se configura como un agente potenciador y optimizador de la plasticidad, promoviendo la construcción de nuevas estructuras neurales que subyacen al proceso de aprendizaje, o dicho de una manera más metafórica, “los profesores son científicos intentando usar los procesos epigenéticos para construir, reconstruir y remodelar los cerebros de sus estudiantes en vías de mejorar sus habilidades para pensar, aprender y actuar” (Cozolino, 2013. p. 42). Asimismo, la educación consiste, esencialmente, en proveer experiencias que ilustren sobre el mundo, generando en cada uno de sus aprendices la capacidad de analizar y evaluar saberes y conocimientos a partir de la aplicación de criterios que emergen desde la racionalidad, lo que también se conoce como la generación del pensamiento crítico (Lavados, 2012).

No obstante, cada estudiante posee representaciones propias de la realidad, que, a grandes rasgos, constan de una elaboración selectiva de contenidos que están dispuestos en concordancia con las perspectivas, emociones, énfasis e intereses de cada individuo, y que no corresponden a una imagen copiada de la realidad, sino más bien a una versión propia del mundo, muchas veces inconsistente con las ideas de los profesores de ciencias y los científicos (Treagust, 1988). Dentro del ámbito de la educación en ciencias y del proceso de enseñanza y aprendizaje, estas representaciones son denominadas concepciones alternativas (Krüger, 2007; Treagust,1988).

Es importante destacar que los estudiantes y las personas en general tienen una variedad de concepciones, claramente diferentes entre sí, sobre objetos y procesos, que no siempre coinciden con la visión científica actualmente aceptada (Gropengießer y Marohn, 2018); y muchas de las concepciones de cada cual son resistentes a los intentos de modificación que ejerce la enseñanza (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994). Estas consideraciones sobre las concepciones nos conducen a reconocer como un aspecto vital para la educación formal poder comprender algunos aspectos claves de cómo ocurre la función biológica del aprendizaje.

En este contexto, hay un gran número de trabajos referentes al estudio de las concepciones de los estudiantes, cuyo cuerpo teórico contiene más de 8300 artículos (Duit, 2009). Sin embargo, existen escasos artículos de naturaleza científica que analicen y relacionen los aspectos de la neurobiología del aprendizaje, que puedan favorecer el entendimiento del origen de las concepciones presentes en los estudiantes y de cómo poder lograr el ajuste, el cambio o la transformación de ellas en ideas aceptadas por la comunidad científica; dicho de otro modo, que provean de algunas aproximaciones neurobiológicas que tributen a la comprensión de cómo ocurre el cambio conceptual en el cerebro de los estudiantes, dado que aún resulta ser un gran desafío encontrar estrategias para trabajar sus concepciones y, de este modo, poder esclarecer las condiciones en la enseñanza-aprendizaje que podrían tener éxito a partir de la utilización de las mismas.

Por estas razones, el presente capítulo busca entregar algunos aspectos claves sobre la relación existente entre las bases neurobiológicas del aprendizaje y el desarrollo de las concepciones de los estudiantes.

2. Desarrollo

2.1 Aspectos relevantes de la neurobiología del aprendizaje

El aprendizaje corresponde al proceso mediante el cual el cerebro adquiere, organiza y utiliza la información constituyéndola en conocimiento (Dehaene, 2019; Lavados, 2012). Al considerar esta definición, más lo planteado por James Zull (2002), se puede decir que para que ocurra el aprendizaje debe haber un cambio estructural y funcional en las áreas cerebrales comprometidas con este proceso (ver Figura 2.1), y donde la enseñanza debería ser la información sensorial y/o estímulo que hace posible generar este cambio.

Figura 2.1 Red de estructuras cerebrales subyacentes a la capacidad de aprender y memorizar del cerebro humano.

Sin embargo, ante los estímulos sensoriales el cerebro no se presenta ni sumiso ni pasivo; muy por el contrario, dispone de un conjunto de hipótesis proyectadas sobre el mundo exterior. Es decir, no somos vírgenes de cualquier forma de conocimiento, y aprender siempre supone como punto inicial un conjunto de ideas e hipótesis previas, que interactúan con la nueva información recibida y que seleccionan de esta la que mejor se adapte a este conocimiento precedente (Dehaene, 2019).

Actualmente, la propiedad particular de “cambiar” que poseen las estructuras cerebrales se conoce como plasticidad neuronal. Este proceso fue definido por José Ramón y Cajal como “la propiedad por virtud de la cual ocurren cambios funcionales sostenidos en sistemas neuronales luego de la administración de estímulos ambientales apropiados o de la combinación de diferentes estímulos” (Befenetti, 2007). Por otra parte, es posible señalar que el conocimiento se encuentra en constante construcción dependiendo de los niveles de maduración del aparato neurobiológico y de las funciones de cada sistema cerebral (Buzsaki, 2013).

Según Lavados (2012), “se aprende a través de comprobar en la práctica y más tardíamente en el pensamiento, la fortaleza empírica y después racional de las hipótesis y de los supuestos, a partir de lo cual es necesario incorporar más información, acopiando nuevos datos y regularidades a los esquemas de aprendizajes ya adquiridos para ir construyendo el conocimiento de manera constante” (Lavados, 2012, p.151).

Cuando la información proveniente desde nuestro entorno es percibida por nuestros sistemas sensoriales y posteriormente es destinada a centros de procesamiento y análisis —como, por ejemplo, a la corteza cerebral—, nuestro cerebro intenta relacionar cada componente de esta nueva información con elementos ya almacenados en nuestra memoria, principalmente en el hipocampo (Gooding y Metz, 2011). De este modo, este proceso interminable tributa a la construcción de la realidad que posee cada individuo.

Específicamente, la información que se va adquiriendo queda archivada en constructos de información, los cuales van quedando alojados en las infinitas redes neuronales de nuestro cerebro. Hace ya varias décadas que se ha documentado que el aprendizaje puede generar cambios en la estructura de las redes neuronales, en las neuronas (como por ejemplo el aumento en la longitud de las dendritas de las neuronas, un aumento en la cantidad de espinas dendríticas y cambios en su morfología), así como también un aumento en el número de sinapsis, de estas últimas es de donde emergen las expresiones de la plasticidad (Pascual, 2012).

En general, los axones neuronales terminan en estructuras especializadas, llamadas espinas dendríticas, en donde ocurren el 80% de las sinapsis, constituyendo un sistema de integración, procesamiento y almacenamiento de la información. Al respecto, se ha demostrado que tanto el número como la forma de estas espinas se modifican en respuesta a la enseñanza y a la experiencia, lo que incrementa su eficacia sináptica, proceso de señalización propio del sistema nervioso (Pascual, 2012; ver además Figura 2.2).

2.2 Aproximaciones a la neurobiología de las concepciones alternativas

Según Dehaene (2019), hay principios fundamentales que cada modalidad de enseñanza debe respetar para garantizar su eficacia. Uno de ellos corresponde a considerar en todo momento la existencia de intuiciones precoces y abstractas, más conocidas como las preconcepciones de los estudiantes, y sobre las cuales debe apoyarse la enseñanza. No obstante, el contenido de esta experiencia de enseñanza puede ser erróneo y, de manera independiente a esta característica, también puede ser almacenado en nuestro cerebro, lo que ocurre con gran facilidad cuando el sistema cognitivo es incapaz de distinguir si la información que está recibiendo es correcta o si se acopla a ideas precedentes igual de disonantes, por ejemplo, con un conocimiento científico en particular.

Por lo tanto, las concepciones alternativas se fundamentan en la calidad de enseñanza recibida y en la experiencia, traducidas en el conocimiento que cada uno dispone en un momento determinado, el cual fue aprendido a través de la interacción con el medio social y cultural, y de acuerdo con la organización de este conocimiento a partir de los propios sistemas de procesamiento cerebral. Es decir, dependen estrechamente de cómo el cerebro ha adquirido, organizado y utilizado algún tipo de información para constituirla como un conocimiento (Lavados, 2012). De este modo, es posible señalar que las concepciones pueden ser erróneas, parciales y contingentes y, en ningún caso, pueden llegar a representar cabalmente una idea o una correcta representación del mundo.

Figura 2.2 La figura representa (A) neuronas de la corteza prefrontal de morfología piramidal típica. La ampliación representa el lugar donde es posible encontrar las espinas dendríticas en la superficie de las dendritas neuronales. En un mayor aumento (B) se puede apreciar un axón (arriba) en contacto con una espina dendrítica (abajo). Es en el contacto de estas estructuras donde tiene lugar la sinapsis.

Así, es posible que las concepciones se configuren como una versión personal y específica de diversos aspectos del entorno, cuya naturaleza puede ser sensorio-motora, perceptiva, conceptual o lingüística (Halldén, 1999). Asimismo, se constituyen a partir de creencias, deseos e incluso expectativas definidas por la motivación, las emociones y los sentimientos (Pintrich et al., 1993). De esta manera, la representación del mundo que cada uno concibe es propia de cada individuo, pero al mismo tiempo es parcialmente consistente con la realidad física, social y cultural en que el individuo se desarrolla.

2.3 Aproximaciones al entendimiento del surgimiento de concepciones

En uno de los principales estudios de las concepciones de los estudiantes, Gooding y Metz (2011) las han caracterizado como nociones personales que se crean para explicar y dar sentido a los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor y en nuestros organismos, para entender cómo funciona el mundo en el cual nos encontramos insertos; cómo interactuamos en él; cómo y por qué cambia.

En términos de contenido, las concepciones pueden caracterizarse como desviadas de la presentación científicamente correcta de ese contenido, y como descripción de la posición inicial para un aprendizaje adicional (Krüger, 2007). No obstante, se ha descrito que, en la mayoría de los casos, las concepciones son bastante firmes y estables en el aparato cognitivo y admiten pocas variaciones (Treagust, 1988).

En las fases iniciales del estudio de las preconcepciones de los estudiantes —independientemente de las edades de estos—, se consideraba que ellas se desvían de las concepciones científicas actualmente válidas, como conceptos erróneos que debían ser eliminados y reemplazados por conceptos correctos (Krüger, 2007). Sin embargo, en los últimos años de investigación acerca de esta temática, se ha llegado a determinar que no se puede seguir sosteniendo la visión peyorativa de las concepciones de los estudiantes, puesto que la presencia de estas ideas es muy relevante para el proceso de construcción del conocimiento que ellos mismos llevan a cabo, dado que, como se mencionó anteriormente, los estudiantes, aprenden sobre la base de lo que ya conocen.

Diversos autores establecen que es necesario que el docente conozca las ideas que tienen los estudiantes sobre un tema en particular, ya que ellas influirán en su aprendizaje, tal como lo afirmó Ausubel en el año 1976 y luego en el año 2002, con su famosa frase: “Si tuviera que reducir toda la Psicología Educativa a un solo principio, enunciaría este: El factor más importante que influye en el aprendizaje es lo que el alumno ya sabe. Averígüese esto y enséñese consecuentemente” (Ausubel, 1976, p. 6).

Las concepciones son nociones y explicaciones basadas en la experiencia. A través de ellas los humanos comprenden muchos fenómenos naturales, apropiados a contextos de la vida cotidiana, y son en varias ocasiones bastante razonables (Krüger, 2007). Un término respetuoso para denominarlas es concepción alternativa o concepción cotidiana (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994). En este escenario, Wandersee et al. (1994) han resumido los resultados de la investigación en didáctica de las ciencias, en el tema de las concepciones, proponiendo ocho principales características de las concepciones alternativas de los estudiantes de ciencias naturales. Siete de ellas han sido consideradas por nosotros como muy importantes de compartir en este capítulo, pues también presentan una íntima conexión con varios aspectos señalados por las neurociencias. Estas características son:

1) Los estudiantes asisten a la enseñanza formal de ciencias con un conjunto diverso de concepciones alternativas;

Las concepciones alternativas…

2) …se modulan de acuerdo con la edad, la capacidad, el género y la cultura;

3) …son bastante resistentes a la extinción;

4) …a menudo son explicaciones similares a las ofrecidas por generaciones anteriores de científicos;

5) … tienen su origen en las experiencias personales;

6) …a menudo los profesores se suscriben a las mismas concepciones alternativas;

7) …en algunas ocasiones, su presentación conduce a varios resultados de aprendizaje no deseados.

Consecuentemente, y tal como se mencionó antes, así como se constituye de particular importancia para los procesos de enseñanza y aprendizaje considerar la existencia de las concepciones alternativas y saber de su resistencia al cambio, también debe considerarse de igual importancia su utilización para iniciar el proceso de enseñanza (Krüger, 2007).

Existen varios enfoques teóricos para investigar procesos de aprendizaje basados en estructurar la enseñanza y el aprendizaje sobre la base de las ideas preconcebidas por el estudiante. Por ejemplo, el enfoque del cambio conceptual establecido en el clásico estudio de Posner et al. (1982), al referirse a los procesos de asimilación, en donde el estudiante es capaz de explicar problemas con nuevas ideas, y al proceso de acomodación, en donde el estudiante puede ir reemplazando o reorganizando ideas, con respecto a las ideas antiguas, considera que en todo momento estos procesos deben ajustarse al desarrollo cognitivo del estudiante. Por otra parte, como núcleo común de los diversos enfoques constructivistas, Duit (1996) identifica cuatro supuestos (ver Figura 2.3).

Primeramente, se debe considerar que las concepciones evolucionan a partir de nuestra interacción con el entorno físico y social. Esta interacción se denomina experiencia y teoría del realismo experimental (Lakoff y Johnson, 1999; Gropengießer, 2007). La interacción sensorio motora repetida con el entorno, como una acción repetitiva, forma y vincula progresivamente los grupos neuronales funcionales involucrados de manera más efectiva. La repetición en el encuentro con los estímulos fortalece las conexiones entre las neuronas, mientras que la ausencia de esta repetición resulta en el decaimiento del fortalecimiento de una información determinada (Atwood y Karunanithi, 2002). No debemos olvidar que la experiencia puede cambiar los patrones de conexión neuronal de nuestro cerebro y que las nociones y los esquemas crecen a partir de la estructura y el funcionamiento de nuestro cuerpo y cerebro, y de cómo interactuamos con el entorno físico y social (Lakoff, 1990). En este sentido, diversos estudios han demostrado que las ideas de la realidad no son ni pueden ser idénticas a lo que la ciencia engloba y, además, que son diferentes entre las personas en la medida que más desiguales son los individuos entre sí, puesto que cada ambiente (contexto psicobiosocial) impone fuertes restricciones al desarrollo de conceptos, motivaciones y sentimientos. De este modo, estas ideas muchas veces son muy divergentes entre sí, al punto de llegar incluso a ser incomprensibles e incomunicables entre grupos de seres humanos con altas diferencias psicobiosociales (Cozolino, 2013).

Figura 2.3 Supuestos constructivistas de las concepciones de los estudiantes.

Para finalizar este apartado, quisiéramos presentar un ejemplo sobre las concepciones alternativas de los estudiantes sobre el Sistema Nervioso (SN).

Existe consenso sobre la dificultad de aplicar los conocimientos sobre este sistema a la explicación de fenómenos cotidianos tales como pensar, sentir (sensorialmente), emocionarse o respirar, pues generalmente la función del SN humano se asocia principalmente al movimiento o al sistema motor, sin considerar las otras numerosas estructuras y funciones que modulan y emergen en este sistema. Por ejemplo, hemos apreciado que, al finalizar el primer ciclo de la enseñanza básica, los estudiantes tienden a entender el SN exclusivamente como el cerebro y el cráneo que lo protege. Este error conceptual excluye al SN periférico, compuesto por los nervios, e incluye al cráneo estructura que no es parte del sistema nervioso. Asimismo, para los estudiantes es difícil razonar que el SN está presente alrededor de todo nuestro cuerpo y que está en estrecha asociación con el funcionamiento de otros sistemas como el digestivo o el circulatorio. Más tarde, alrededor de los 13 o 14 años, los resultados de Alvarado, Rivas y Ochoa (2014) sostienen que los estudiantes visualizan como sinónimos el cerebro y el SN. Además, señalan que el cerebro es un organismo y lo definen como una máquina creada por la naturaleza. Por otra parte, un estudio realizado por Ranaweera y Montplaisir (2010) en estudiantes universitarios que se encontraban cursando la asignatura de Anatomía Humana y Fisiología en una Universidad de EE.UU., revela que las principales preconcepciones de los estudiantes sobre el SN incluyen: (i) el corazón como un componente principal del SN periférico, (ii) al arco reflejo ilustrado por la acción en lugar de la estructura, y (iii) a los tipos de neuronas (unipolar, bipolar o multipolar) diferenciadas por aspectos erróneos en lugar de su disposición estructural. Adicionalmente, las autoras destacan que la enseñanza constructivista en el aula junto con la participación simultánea en actividades de laboratorio, proporcionó experiencias para que los estudiantes superaran algunas de sus concepciones alternativas. El hallazgo de esta investigación sugiere que los profesores deben conocer las preconcepciones de sus estudiantes antes de la enseñanza y que, el uso de dibujos como herramienta de evaluación formativa, es una excelente manera de recopilar dicha información.

A continuación, desarrollaremos una explicación teórica y algunas de las aproximaciones neurobiológicas al cambio conceptual, considerando los factores que pueden promoverlo, desde las neurociencias.

2.4 Cambio conceptual, explicación teórica y aproximaciones neurobiológicas

Además del diagnóstico y la comprensión de las concepciones alternativas o preconcepciones (denominación utilizada por la mayoría de los profesores de ciencias), surge la importante interrogante sobre ¿cómo ocurre el cambio en las concepciones alternativas?

Para responder a esta pregunta ha sido de gran ayuda revisar la teoría del cambio conceptual (Posner et al., 1982; Strike y Posner, 1992), la que considera aspectos psicológicos de la enseñanza y establece pautas para ella. Esta teoría explica en qué condiciones se puede lograr un cambio desde las ideas cotidianas a ideas fundamentadas por la ciencia. Esta base teórica ha determinado que quien aprende debería renunciar a toda idea “incorrecta”. En su primera versión, el cambio conceptual se refiere al cambio de paradigma, que Kuhn (1976) describe como la ganancia de conocimiento en la ciencia que va de la mano con un cambio repentino, radical y general. Sin embargo, aunque la acomodación es un cambio radical de mentalidad, no sucede de manera abrupta, sino que este proceso se lleva a cabo gradualmente (Vosniadou y Brewer, 1987).

Actualmente, existen otras explicaciones del cambio conceptual, tales como: i) la asignación de un concepto a otra categoría ontológica (Chi, 2008), ii) una reinterpretación del conocimiento previo (Vosniadou, 2008), o iii) la construcción y la creación de redes de esquemas cognitivos a estructuras más interconectadas y complejas (diSessa, 2002).

Dentro de los aspectos neurobiológicos del aprendizaje que podrían estar relacionados con el cambio conceptual encontramos la evidencia que sostiene que un factor favorecedor para que el cerebro aprenda es poner a prueba hipótesis, a través de la experimentación y exploración, puesto que se encuentra descrito que existen mecanismos cerebrales que aprenden sobre la base de “poner a prueba” las concepciones previas (Cozolino, 2013). En concordancia con lo anterior, Stanislas Dehaene (2019), un reconocido experto en las bases cerebrales de las principales operaciones intelectuales humanas, plantea las siguientes interrogantes: ¿Cómo selecciona el cerebro la mejor hipótesis? ¿Con base en qué criterio acepta o rechaza un modelo del mundo exterior?, argumentando que existe una consideración ideal para hacerlo: “el cerebro se comporta como un científico en ciernes”. Este enfoque supone que aprender es razonar como un científico y como un estadístico, que elige entre muchas hipótesis aquella con mayor probabilidad de ser correcta, teniendo en cuenta la evidencia y los datos disponibles.

En un nivel de análisis microscópico, y sobre la base de los cambios neuroestructurales que revisamos anteriormente, el cambio conceptual implica cambios estructurales en el cerebro de quienes están aprendiendo. Estas transformaciones suceden en las áreas cerebrales donde se produce el aprendizaje (ver Figura 2.1) y, más profundamente, en las redes neurales de estas áreas cerebrales, en las dendritas de las neuronas de las redes neurales y, adentrándonos aún más, en las estructuras microscópicas presentes en las dendritas, en donde ocurren las sinapsis, es decir, en las espinas dendríticas. De este modo, nosotros planteamos que las preconcepciones están almacenadas, al igual que la información considerada “correcta”, en las espinas dendríticas, las que, luego de una experiencia de enseñanza, es posible que cambien, se eliminen o resistan el cambio (Figura 2.4); sin duda, esto dependerá de cuan significativo sea el aprendizaje, de cuántas veces se reciba el impulso o enseñanza y, por supuesto, de varios otros factores, de los cuales revisaremos los que a nuestro parecer son más relevantes.

Figura 2.4 Esquema representativo de las modificaciones estructurales que sufren las espinas dendríticas en el proceso de aprendizaje. En la imagen 1 las espinas dendríticas están indicadas por flechas. En la imagen 2, las espinas dendríticas encerradas en un círculo representan las concepciones alternativas. La imagen 3 representa la posibilidad de que, a partir de una experiencia de aprendizaje, estas concepciones alternativas sean eliminadas (espacios dentro de los círculos). Mientras que el cambio conceptual está representado por esta misma eliminación y por la aparición y reorganización de espinas dendríticas (dentro del rectángulo). Finalmente, las concepciones alternativas que se resisten al cambio a pesar de la enseñanza están representadas por las espinas dendríticas encerradas en círculos fuera de los rectángulos.

Un factor importante por considerar dentro del proceso de aprendizaje, y que podría favorecer el cambio conceptual, es que dicho aprendizaje se incrementa mediante el restablecimiento constante del proceso de atención. En palabras simples, un cerebro que se encuentra alerta tiene mayores posibilidades de aprender. Por consiguiente, el aprendizaje se vuelve más efectivo cuando la información es recibida en intervalos que consideren la fluctuación natural de la atención, porque como ya sabemos un cerebro no puede estar en atención plena durante muchas horas seguidas. Es por esto por lo que —como también es sabido— la variación del uso de materiales e insumos, la implementación de diversos tipos de actividades, los tiempos de descanso entre las estrategias de enseñanza, facilitan el aprendizaje (Bodizs et al., 2002; Mednick et al., 2002).

En relación con lo anterior, el cerebro humano posee un sistema especializado para establecer relaciones entre el pensamiento abstracto y la imaginación, lo cual se conjuga con el hecho de que un individuo se encuentra inmerso en una cultura colmada de historias y mitos, y en donde actualmente los medios de comunicación y las redes sociales también tributan a la aparición y perpetuación de las concepciones en los cerebros de los estudiantes. Asimismo, sabemos que, cuando en el aula se narran/escuchan/leen historias, se promueve la consolidación del aprendizaje, porque su uso favorece la atención de los estudiantes a través del uso del lenguaje y de la creación de estructuras narrativas (Cozolino, 2013). En relación a lo anterior, el cerebro humano posee un sistema especializado para establecer relaciones entre el pensamiento abstracto y la imaginación, lo cual se conjuga con el hecho de que un individuo se encuentra inmerso en una cultura colmada de historias y mitos y en donde, actualmente los medios de comunicación y las redes sociales también tributan a la aparición y perpetuación de las concepciones en los cerebros de las y los estudiantes.

Además, se ha descubierto que los estados de atención en los estudiantes generan niveles moderados de excitación que propician, aumentan, la plasticidad neural, mediante el incremento de la producción de neurotransmisores y hormonas que regulan el crecimiento y conectividad neuronal (Cowan y Kandel, 2001). A partir de lo anterior, es posible señalar que el aprendizaje requiere que exista una “pequeña cuota” de estrés, siempre y cuando este no exceda un determinado nivel (o umbral), puesto que, muy por el contrario, también se encuentra descrito que los altos niveles de tensión, ansiedad y estrés crónico pueden llegar a inhibir el proceso de plasticidad. Según Tsoory et al. (2008), “mantener a los estudiantes en un punto de excitación neuroplástico (solo el necesario para activar la plasticidad) es un elemento clave a considerar en el proceso de enseñanza”.

En estrecha relación con lo anterior, se encuentra descrito que la amígdala (Figura 2.1), estructura perteneciente al sistema límbico que tiene un rol central en la regulación emocional, percibe los distintos estímulos del ambiente, mediando la atención y, en conjunto con el hipocampo, regula la motivación para aprender de la información que proveen los estímulos emocionales, lo cual propicia el aprendizaje (Hardingham y Bading, 2003; Parson, 2007). En este escenario, también se encuentra descrito que el humor disminuye la ansiedad y los altos niveles de estrés (Garner, 2006). Según Wanzer (2010), es apropiado usarlo como herramienta para el aprendizaje, siempre y cuando se encuentre relacionado con un objetivo de aprendizaje (Figura 2.5). En este contexto, ya desde hace varias décadas Pintrich, Marx y Boyle (1993) criticaban la perspectiva de la enseñanza que no contemplaba los factores emocionales (cognición fría) y destacaban la importancia de factores afectivos, tales como el interés, las intenciones o las expectativas, que por cierto pueden ser diferentes en cada uno de nuestros estudiantes.

Figura 2.5 Regulación emocional del aprendizaje. La imagen muestra cómo influyen el clima positivo y el negativo sobre la regulación emocional del aprendizaje, y algunas actividades educativas que promueven la regulación emocional positiva dentro del aula.

Finalizando este apartado, podríamos destacar como factor que también influye de manera positiva en el aprendizaje la repetición de la enseñanza de contenidos relevantes a través de distintas estrategias, también conocidas como estrategias para favorecer el procesamiento a través de múltiples vías, es decir, que nuestro cerebro aprenda de diversas formas. El principal argumento para sostener lo anterior radica en que esto permite el fortalecimiento de las conexiones neuronales que se encuentran almacenando la información de interés en distintas áreas cerebrales. Por ejemplo, existe evidencia que sostiene que las redes neuronales, ya sean visuales, semánticas, sensoriales, motoras y emocionales, disponen de sistemas de memoria propios (Atwood y Karunanithi, 2002; Meltzoff, 2009).

De este modo, se puede concluir que el aprendizaje se realiza dentro de una interacción social, en la que se comunican, negocian, prueban y comparten ideas, suposiciones, entre otras cosas (Krüger, 2007). Existe un sinnúmero de evidencia que sostienen que el cerebro es un órgano social que requiere conexiones humanas positivas (Tsoory et al., 2008). Según Cozolino (2013), el currículo educacional y el enriquecimiento social provisto por el aula, tiene un impacto sinérgico sobre el aprendizaje, conllevando a una mayor efectividad sobre los procesos de enseñanza y aprendizaje cuando se está en un contacto con otros, es decir cuando se está cara a cara, cerebro con cerebro y corazón con corazón. Esto nos hace reflexionar sobre cuáles deben ser las mejores condiciones para, por ejemplo, hacer de los ambientes virtuales y de enseñanza remota un contexto de aprendizaje idóneo.

2.5 Iniciación del cambio conceptual

Se ha demostrado que algunas de las ideas previas con que llegan los estudiantes al aula se mantienen incluso después de la clase, y que son útiles y necesarias en muchas situaciones de la vida diaria. Es inadecuado calificar las concepciones alternativas sobre los fenómenos biológicos —que a menudo se contraponen a las explicaciones de las ciencias naturales— como concepciones erróneas. Por lo tanto, el proceso se describirá mejor como una reconstrucción conceptual que considere el funcionamiento de quien aprende (Krüger, 2007). Para que una reconstrucción de ideas sea posible deben cumplirse las siguientes cuatro condiciones (Posner y Strike, 1992):

1) Dominio de la insatisfacción con la idea preexistente:

 Condición previa para la reconstrucción de ideas de manera consciente.

 La confianza en viejas concepciones se pierde explicando las anomalías que hay en las mismas.

 La insatisfacción surge, por ejemplo, cuando existe un conflicto cognitivo.

2) La nueva idea debe ser comprensible:

 Debe ser racionalmente abordable para poder asimilar las nuevas posibilidades.

 Incorporar el uso de analogías y metáforas, ya que favorecen la comprensión.

 Es necesaria una base de conocimiento para que los nuevos aspectos sean comprensibles.

 Mientras más se adapte la idea a los conocimientos de otras áreas, más fácil será su integración.

3) La nueva idea debe poseer plausibilidad, lo que supone su comprensión:

 La nueva idea debe estimular la sensación de que es posible resolver problemas, de lo que la antigua idea no era capaz.

 La plausibilidad depende del grado de concordancia que se espera entre la idea preexistente y la nueva.

4) La nueva idea debe ser productiva, lo que supone su comprensión y plausibilidad:

 La nueva idea debería poder aplicarse en otros ámbitos y abrir nuevas áreas de investigación.

 Se podrá explicar experiencias con ella.

 Se utilizará la nueva idea si esta lleva a nuevos descubrimientos y puntos de vista.

 La nueva idea debería prometer más que otras que compiten con ella.

En resumen, deberían ofrecerse posibilidades en las que se comprueben los puntos de vista actuales, se reflejen las experiencias fundamentales y que, el nuevo conocimiento adquirido, ha provisto de buenos resultados al utilizarlo como herramienta. Por ser efectivo, el nivel del conflicto cognitivo no debe percibirse como demasiado alto o demasiado bajo por el estudiante (Lee y Byun, 2012). Una forma de desencadenar un conflicto cognitivo es confrontar datos anómalos, es decir, tratar con fenómenos o información que contradigan las expectativas de los estudiantes (Krüger, 2007), aunque esta confrontación no siempre desencadene a un cambio en las ideas previas. Según Chinn y Brewer (1993), también es posible que las y los estudiantes ignoren los datos inesperados, los rechacen, los reinterpreten o simplemente difieran en la resolución de conflictos. A pesar de lo anterior, es considerado necesario y beneficioso conocer y trabajar las concepciones de las y los estudiantes en un adecuado proceso de enseñanza y aprendizaje de los mismos, pues la reconstrucción conceptual se favorece cuando quien aprende se enfrenta a contextos de variables suficientes, bajo condiciones constructivistas de aprendizaje auténticas y con significado a nivel personal (Krüger, 2007).

3. Conclusiones

Al aprender, se construye sobre la base de experiencias y conocimientos de quien aprende. En este proceso, quienes aprenden no adquieren ni integran la nueva información como mejor les parezca, sino que construyen significados activos sobre la base de sus concepciones ya existentes (Krüger, 2007).

Por otra parte, este proceso de búsqueda y selección de información realizado con el fin de resolver problemas y así cumplir los propios objetivos y metas es un proceso muy dinámico y se encuentra sujeto a las reconstrucciones según las circunstancias y los procesos de aprendizaje únicamente posibles, mediante la participación activa de quien aprende. Por lo tanto, se fomenta el aprendizaje cuando quien aprende tiene la motivación para jugar un papel activo en el proceso de enseñanza y en el aprendizaje.

Durante el proceso de aprendizaje son los mismos estudiantes quienes deciden cuándo y cómo incorporan información adicional para facilitar su propio aprendizaje y para identificar cuáles de sus concepciones son erróneas a partir de la contrastación con la evidencia existente, la reflexión individual y grupal, la metacognición y la aceptación de otras alternativas de conocimiento. Es una característica neurobiológica central de los cerebros humanos la búsqueda incesante de distintos tipos de logros, dentro de los cuales, para el cerebro humano, aprender es uno de los logros más importantes, contemplándose como una meta deseada que produce placer, gratificación y orgullo (Tsoory et al., 2008).

El aprendizaje ocurre en situaciones dentro de un contexto, es decir, el conocimiento está relacionado con los contenidos y experiencias sociales. El cerebro es un órgano que puede ajustar y reajustar sus condiciones anatómicas y fisiológicas y su correlato conductual a su ambiente contextual específico. Por ejemplo, este ajuste se realiza ante una diversa naturaleza de estímulos: por variaciones físico-ambientales, por nuevas personas que conocer, por un nuevo lugar que visitar, por nuevas tecnologías que manejar, así como por conceptos que aprender (Cozolino, 2013).

Finalmente, consideramos como elementos relevantes para que se genere el cambio conceptual el brindar oportunidades a los estudiantes, basadas en la comprensión de los aspectos que relacionan la neurobiología del aprendizaje con las preconcepciones que ellos presentan. Esta aproximación puede promover la reflexión en los profesores en torno a cómo ayudar a los estudiantes a reconstruir e internalizar su conocimiento. Asimismo, si los profesores promueven espacios de reflexión en sus estudiantes para que estos piensen en las razones de sus concepciones, los estudiantes podrán llegar a reconocer diferencias y similitudes entre sus concepciones y la evidencia presentada por sus profesores, y llegar a una nueva y mejor comprensión científica.

Agradecimientos

Este Capítulo fue escrito gracias al proyecto MEC 80180066 (Concurso Atracción Capital Humana Avanzado del Extranjero – Modalidad Estadías Cortas) que permitió la visita del Dr. Dirk Krüger al grupo de enseñanza de la Biología, del Instituto de Biología de la PUCV.

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Capítulo 3

¿Cómo incorporar las grandes ideas de la Ciencia a la práctica docente?: reflexiones desde el aula

Corina González-Weil6,3 y Paulina Bravo González1,78

Resumen

Existe una tendencia creciente a considerar las Grandes Ideas de la Ciencia como útiles para enseñar ciencias en sintonía con los desafíos actuales de la alfabetización científica. Dado lo anterior, las grandes ideas se han incorporado a los currículums de ciencia en el plano internacional y en Chile. Si bien en nuestro país están incorporadas explícitamente en el currículum desde el año 2015, es poca la información sobre cómo profesores y profesoras trabajan con ellas en sus aulas. En este capítulo los invitamos a explorar dos experiencias de uso y/o creación de grandes ideas junto a profesoras y profesores de ciencia de Valparaíso. La primera experiencia se refiere a la práctica de una profesora de educación básica enseñando grandes ideas relacionadas con biología a sus estudiantes de 4° básico. La segunda experiencia ocurre en el contexto de formación docente inicial, donde se diseña e implementa una actividad en torno a una gran idea acerca de la ciencia. Cerraremos este viaje discutiendo sobre la importancia del uso de las grandes ideas y del valor que tiene generar conocimiento desde la práctica de los profesores con sus estudiantes en el aula.

Palabras claves: grandes ideas de y acerca de la ciencia, alfabetización científica, experiencia de profesoras y profesores.

1. Introducción

1.1 La alfabetización científica y los retos actuales de la enseñanza de la ciencia

Los desafíos actuales a los que nos vemos enfrentados como sociedad requieren que —en el caso de la ciencia— no solo comprendamos ciertos conceptos científicos mínimos, sino que desarrollemos actitudes científicas (como el escepticismo) y habilidades de pensamiento científico (como la capacidad de preguntar). Igualmente, es necesario que además comprendamos la Ciencia como un quehacer humano, como parte de nuestra cultura y que, por eso mismo, está fuertemente influenciada por factores históricos, políticos, económicos y sociales. Sobre todo, requerimos formarnos como personas capaces de tomar decisiones y, más aún, de generar acciones que nos ayuden a mejorar la calidad de vida de los seres humanos, a cuidar nuestro entorno y a sobrevivir como especie.

En la actualidad, estamos en un punto de inflexión como Humanidad, que nos demanda, como individuos y como sociedad, actuar y cambiar nuestros hábitos para poder adaptarnos a los rápidos cambios que enfrentaremos o estamos enfrentando y proponer soluciones concretas, en un contexto de colaboración, solidaridad y empatía.

Desde esta perspectiva, la alfabetización científica de la población juega un rol clave, no solo para la sobrevivencia de la ciencia —a través de la generación de interés por este aspecto de nuestro quehacer como humanos— sino, sobre todo, para nuestra propia sobrevivencia. Sjöström y Eilks (2016), basados en autores anteriores, proponen tres visiones de alfabetización científica: la Visión I está centrada en el contenido y los procesos científicos para su posterior aplicación; la Visión II tiene por objetivo comprender la utilidad del conocimiento científico en la vida cotidiana y en la sociedad; y la Visión III, trata sobre el “saber científico en acción”. Esta última visión, también llamada “alfabetización científica crítica”, implica una educación científica transformadora, que enfatiza la transdisciplinariedad, la promoción de valores y una ciudadanía global orientada a la praxis. Las actuales circunstancias de nuestro planeta nos invitan a situarnos en esta tercera visión, que desarrolla una perspectiva crítica de los ámbitos socio y tecnocientíficos, donde se promueva una disposición activista en pos de incrementar la justicia social y ambiental. Un posible espacio de desarrollo de esa visión —no el único, porque la situación actual nos compete a toda la sociedad— es el de la escuela y las universidades, a través de la educación científica de los estudiantes.

Evidentemente, para preparar a los estudiantes en el desarrollo de un razonamiento sociocientífico, que les permita adoptar sus propias decisiones y ejercer de manera más participativa su ciudadanía, es necesaria la generación de una base científica informada. Los estudiantes deberán comprender cuál es el conocimiento científico básico que la ciencia ha construido a lo largo de la historia, que nos ayuda a entender los fenómenos que observamos a diario, y que en consecuencia también nos ayuda a buscar las mejores soluciones para los problemas actuales (El Halwany, Zouda y Bencze, 2017). Del mismo modo, los estudiantes debieran tener una comprensión sobre la manera en que la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente (CTSA) se relacionan e inciden entre sí, de modo de poder analizar críticamente las complejas relaciones que se dan entre estos ámbitos. Esto se vuelve especialmente relevante cuando logramos comprender que, así como los avances de la ciencia tienen un fuerte impacto sobre la CTSA, el desarrollo de la ciencia depende de la tecnología, pero también de los intereses políticos, sociales y económicos de quienes la financian.

1.2 ¿Qué son las grandes ideas?

Frente a estos desafíos actuales de la sociedad, la enseñanza y el aprendizaje de la ciencia se presenta como una alternativa de fomento de este análisis crítico. Considerando este escenario, se ha propuesto una nueva forma de abordar el contenido científico bajo el nombre de “Grandes Ideas de la Ciencia”. Esta nueva propuesta curricular invita a que los estudiantes puedan “ver conexiones entre diferentes ideas científicas”, de forma tal que cuando están conectadas se les podría hacer más fácil utilizarlas en nuevos escenarios que si usan otras ideas desconectadas (Harlen, 2015, p.97), promoviendo un entendimiento más crítico e integrado de la ciencia.

En relación con la génesis de este constructo, cabe señalar que, ya en 1998, Robin Millar y Jonathan Osborne proponían la existencia de “historias explicativas” de la ciencia, y advertían sobre la importancia de elegir bien cuáles de estas “historias” eran las más relevantes para el currículum (Millar y Osborne, 1998). Sin embargo, no fue hasta 2010 que se acuñó el constructo “Grandes Ideas de la Ciencia”, en el marco de un seminario en el que un grupo de diez científicos y educadores relacionados con educación científica de diferentes partes del mundo (entre los que se encontraba Millar) propusieron ideas y principios que todo estudiante debería conocer durante su periodo en la escuela. A propósito de ese seminario se desarrollaron, bajo el liderazgo de Wynne Harlen, dos reportes cortos que agrupan estas grandes ideas. El primer reporte tiene por nombre Principios y grandes ideas de la educación en ciencias (2010) donde se presentan estas grandes ideas de y acerca de la ciencia, mientras que el segundo reporte, conocido como Trabajando con grandes ideas de la educación en ciencias (2015), muestra un enfoque más aplicado sobre cómo se pueden abordar las grandes ideas en el aula9.

Es así como esta propuesta incluyó un set de diez grandes ideas de la ciencia

—teorías, modelos y principios que explican el mundo natural— y cuatro grandes ideas acerca de la ciencia —la forma en que estas ideas científicas se han desarrollado— (Harlen, 2010). En su génesis, las grandes ideas se definieron como “ideas que pueden usarse para explicar y hacer predicciones sobre una variedad de fenómenos relacionados en el mundo natural” (Harlen, 2010, p.17). Esta conceptualización incorpora la idea de progresión hacia la gran idea, donde las ideas “pequeñas” desarrolladas a partir del estudio de temas particulares, se construyen para formar gradualmente ideas “más grandes” (p. 8) que abarcan más fenómenos. La progresión se entiende relacionada con el dominio científico desde pequeñas ideas alcanzadas a través de experiencias concretas hasta grandes ideas más amplias y abstractas, así como a través de los niveles de escolarización de los estudiantes (Harlen, 2010). El listado completo de grandes ideas de y acerca de la ciencia se puede observar en la Tabla 3.1.

Otros educadores científicos han definido las grandes ideas como “un principio unificador que conecta y organiza ideas, conceptos pequeños y experiencias múltiples” (Mitchell et al., 2016, p.3). Según Whiteley (2012), las grandes ideas “pueden considerarse como los patrones que permiten conectar los puntos del conocimiento que de otra forma estaría fragmentado” (p. 43). Estas grandes ideas permitirían establecer nuevas relaciones entre contenidos científicos (Olson, 2008), por lo que podrían ser comunes a más de un fenómeno con el potencial de volverse más sofisticadas con el tiempo (Plummer y Krajcik, 2010). Las grandes ideas se pueden relacionar con las disciplinas asociadas a STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas) de manera tal de entenderlas transversal e integradamente, pudiendo ser grandes ideas de contenidos o grandes ideas de los procesos asociados a STEM (Chalmers et al., 2017).

Tabla 3.1 Grandes ideas de y acerca de la ciencia (Harlen et al., 2010).

Ideas de la Ciencia
1	Todo material en el Universo está compuesto de partículas muy pequeñas.
2	Los objetos pueden afectar otros objetos a distancia.
3	El cambio de movimiento de un objeto requiere que una fuerza neta actúe sobre él.
4	La cantidad de energía del universo siempre es la misma, pero la energía puede transformarse cuando algo cambia o se hace ocurrir.
5	La composición de la Tierra y de la atmósfera y los fenómenos que ocurren en ellas le dan forma a la superficie de la Tierra y afectan su clima.
6	El sistema solar es una muy pequeña parte de los millones de galaxias en el Universo.
7	Los organismos están organizados sobre la base de células.
8	Los organismos requieren de suministro de energía y de materiales de los cuales con frecuencia dependen y por los que compiten con otros organismos.
9	La información genética es transmitida de una generación de organismos a la siguiente generación.
10	La diversidad de los organismos, vivientes y extintos, es el resultado de la evolución.
Ideas acerca de la Ciencia
11	La ciencia supone que para cada efecto hay una o más causas.
12	Las explicaciones, las teorías y los modelos científicos son aquellos que mejor dan cuenta de los hechos conocidos en su momento.
13	El conocimiento generado por la ciencia es usado en algunas tecnologías para crear productos que sirven a propósitos humanos.
14	Las aplicaciones de la ciencia tienen con frecuencia implicancias éticas, sociales, económicas y políticas.

En Chile, este nuevo enfoque de la educación científica está incorporado al currículum nacional (Mineduc, 2012, 2015, 2019) enfatizando la enseñanza de las grandes ideas de la ciencia desde séptimo a segundo medio, mientras que las ideas acerca de la ciencia podrían estar asociadas a tercero y cuarto medio. En estos niveles, la definición que entrega el currículum nacional es la siguiente:

Para contribuir a la alfabetización científica es fundamental comprender conceptos e ideas nucleares de las ciencias que permitan construir otros conocimientos. Las grandes ideas, como construcción conceptual, permiten explicar eventos y fenómenos importantes para la vida de los estudiantes durante y después de su etapa escolar. Son relaciones y patrones observados en un amplio rango de fenómenos. Estas relaciones posibilitan una visión integrada de las ciencias, con lo cual se adquieren aprendizajes profundos sobre objetos, materiales, fenómenos y relaciones del mundo natural (Mineduc, 2019, p. 30).

Para el caso de la educación básica, las bases curriculares de primero a sexto establecen, siguiendo la misma línea del trabajo de Harlen, lo siguiente: Para que este proceso sea exitoso, es fundamental que los estudiantes se aproximen a las grandes ideas de la ciencia, cuya comprensión les permita dotar de sentido a los fenómenos del mundo que los rodea. Estas ideas no se limitan a ofrecer explicaciones casuísticas sobre preguntas que surgen en la vida cotidiana, sino que identifican, de forma abstracta, relaciones entre fenómenos y propiedades observadas. La comprensión de estas ideas facilita la predicción de fenómenos, la evaluación crítica de la evidencia científica y la toma de conciencia de la estrecha relación entre ciencia y sociedad (Mineduc, 2012, p. 70).

Existen diferentes ejemplos del uso de grandes ideas desde la literatura (ver González-Weil y Bravo, 2017, para una revisión más detallada). Pero es poco el conocimiento que se ha generado sobre cómo los profesores chilenos están incluyendo esta innovación del currículum nacional en sus aulas (Bravo, Astudillo, Cisternas y Flores, 2019). Este punto se vuelve especialmente importante considerando que el currículum chileno adoptó este acercamiento sobre cómo enseñar ciencias en todos los niveles escolares, desde la aparición del constructo. Ogborn (2002), como experto en desarrollo curricular, se hace dos preguntas sobre quién es el propietario o propietaria de las innovaciones curriculares una vez que se han desarrollado y, luego, cómo se transforman una vez que se van a implementar. De esos cuestionamientos, Ogborn propone que el éxito de un proyecto de desarrollo curricular está relacionado con “el sentido de propiedad de la innovación”, concluyendo que los docentes “son los verdaderos dueños del currículum” (p. 143).

En el caso de la biología en particular, es interesante dar una segunda mirada a las grandes ideas que nos proponen Harlen et al. (2010). Del listado de “Ideas de la Ciencia”, las últimas cuatro se relacionan directamente con cómo la ciencia explica los fenómenos biológicos. Las ideas 7 y 8 —“los organismos están organizados en base a células” y “los organismos requieren de suministro de energía y de materiales de los cuales con frecuencia dependen y por los que compiten con otros organismos”— nos invitan a comprender que los seres vivos tienen la necesidad de incorporar materia y energía para mantenerse, lo cual determina una organización específica —la célula— cuyo funcionamiento se refleja a nivel macro, en todas las funciones del organismo (González-Weil y Bravo, 2017). Si pensamos en términos de alfabetización científica, la comprensión de estas grandes ideas nos permite explicar una serie de fenómenos cotidianos. A modo de ejemplo, podemos comprender por qué respiramos más rápido cuando corremos (relacionando el fenómeno observado con el hecho de que nuestras células musculares necesitan mayor disponibilidad de ATP, y, por lo tanto, más oxígeno para la respiración celular). En consecuencia, podemos reconocer la importancia de mantener nuestro sistema respiratorio limpio, y así entender lo nocivo que es el tabaquismo. Si pensamos a nivel de alfabetización científica crítica, podemos cuestionarnos por qué si el tabaquismo es algo tan nocivo —dado que interfiere con el sistema que tenemos para darle energía a nuestras células— se mantienen las industrias tabacaleras, y cuáles son los intereses económicos que hay detrás, que pasan por encima de la salud de las personas. Finalmente, cabe señalar que el comprender una gran idea, y cuestionarse acerca de la manera en que puede ser enseñada, es parte importante del desarrollo del conocimiento pedagógico del contenido (CPC) de un profesor de ciencias (ver Capítulo 1 de este libro). El desarrollo del PCK (por su denominación en inglés, pedagogical content knowledge) (ver Vergara y Cofré, 2014) de una profesora o profesor de ciencias, establece como primera acción el que el docente reconozca cuál es la idea principal de lo que quiere enseñar. De igual modo, es importante que como docentes podamos reflexionar acerca de cuáles son las “pequeñas grandes ideas” —“ladrillos”— que conforman una gran idea; comprender que muchas de estas pequeñas ideas vienen del contexto cotidiano de los estudiantes, y que podrían conformar una gran idea más amplia y abarcadora. Teniendo claro cuál es la gran idea y cuáles son las “pequeñas grandes ideas” que se enseñarán, podemos abordar nuestra enseñanza a partir de los otros elementos del CPC: por ejemplo, reflexionando acerca de cuáles son las dificultades específicas que tienen nuestros estudiantes para la comprensión de las “pequeñas grandes ideas”, o cuál es la estrategia más adecuada para abordarla o para evaluarla, etc. Un ejemplo concreto de ello puede encontrarse en González-Weil y Bravo (2017), en relación con el concepto de ser vivo.

Considerando lo anterior y que las grandes ideas parecen útiles para la enseñanza de la ciencia, particularmente ante la demanda de una sociedad crítica, nos parece relevante explorar cómo los profesores de ciencias trabajan con ellas en el aula y cómo pueden crear/rediseñar conjuntamente sus propias grandes ideas relacionándolas con el contexto (político, social, económico), sus estudiantes, el tipo de escuela en la que trabajan y su propio conocimiento de la ciencia. De esta forma, les invitamos a explorar dos experiencias de uso y/o creación de grandes ideas junto a profesoras y profesores de ciencias de Valparaíso. La primera experiencia que conocerán es la práctica de una profesora de educación básica enseñando una gran idea en torno al tema de adaptación a sus estudiantes de 4° básico. La segunda experiencia ocurre a nivel de docencia universitaria, e ilustra cómo profesores en formación inicial se basan en una gran idea en torno a la relación CTSA, para diseñar una experiencia de aprendizaje.

2. Desarrollo

2.1 Grandes ideas sobre adaptación: Delia y el Garzapilén

Esta primera experiencia es parte de la investigación de doctorado de una de las autoras de este capítulo (Paulina). Una de mis preguntas de investigación es ¿cómo profesoras y profesores usan y conceptualizan las grandes ideas de la ciencia en su práctica? Para responderla realicé, entre otras actividades, observaciones de aula y entrevistas a profesoras y profesores de Valparaíso. La experiencia que aquí se mostrará es la de Delia, profesora de educación básica, con su grupo de estudiantes de cuarto básico en una secuencia de aprendizaje que se desarrolló en tres clases sobre adaptación y aves10. Para Delia las grandes ideas son “los temas básicos que todos nosotros como terrícolas tenemos que saber y eso es como lo esencial. Al tratar de entenderlo a lo mejor nos sirve para mejorar la calidad de vida y cuidar la especie también”. Esta comprensión no solo tiene implicancias en cómo entiende el contenido, sino que igualmente en cómo toma ciertas decisiones pedagógicas, porque la gran idea le ayuda a “centrar qué es lo que voy a enseñar, o sea, el concepto clave, gatillante, una idea fundamental”. Lo anterior no solo tuvo implicancias en términos de cómo organizó sus clases, sino que las grandes ideas se volvieron, asimismo, parte de su subjetividad como profesora de ciencias, determinando su posición pedagógica, epistemológica y hasta política sobre cómo enseñar ciencias.

La secuencia que Delia realizó consistió en tres clases. En la primera clase, trabajó el concepto de clasificación y organización por criterios, para lo cual usó como ejemplo la forma en que los estudiantes estaban sentados en la sala, aplicando esos conceptos sin contexto científico, para luego pasar a hablar sobre clasificación y criterios de clasificación con las aves. En la segunda clase, introdujo la actividad que tendrían en la sesión siguiente, que correspondió a una visita al humedal cercano a la escuela para observar aves. Como preparación de esa actividad, en la segunda clase Delia con sus estudiantes conversaron sobre qué se entiende por hábitat, diversidad y características que determinan a las especies. En esta clase también trabajó la distinción entre observación e inferencia, y realizó una actividad para ahondar en esa diferencia. La tercera clase de la secuencia correspondió a la salida a terreno al humedal colindante a la escuela, donde, con ayuda de una ornitóloga, los estudiantes observaron aves y discutieron su comportamiento.

En este capítulo nos centraremos en la segunda clase, de donde podemos discutir la gran idea de Delia. Antes de adentrarnos en ello, les invitamos a revisar la siguiente viñeta:

Segunda clase: ¿Existe el Garzapilén o Pilpigarza?

Este episodio se llevó a cabo en los primeros 19 minutos de la segunda clase (entre los minutos 06.00 y 25.00). La visita de una estudiante al humedal dio comienzo a un diálogo en torno a la pregunta: ¿qué constituye una familia? Esta pregunta se movió entre una clasificación taxonómica donde las familias y las especies son categorías y otras opiniones que estaban relacionadas con la familia como una organización social. Asimismo, la conversación bordeó una dimensión de apareamiento con la idea de producir descendencia entre diferentes especies resultando un ave llamada “garzapilén”; y una pregunta evolutiva de “cómo las diferentes especies han sobrevivido a lo largo de los años tal como son”. Estas dimensiones, junto con el desarrollo de la observación, constituyen la gran idea de Delia.

Figura 3.1 Viñeta segunda clase de Delia (Elaboración propia).

En la clase, Delia no aborda explícitamente una gran idea tomada del set de las 14 ideas originales propuestas por Harlen; más bien pareciera estar mezclando diferentes ideas en la misma clase considerando las opiniones de los estudiantes como respuesta a sus preguntas provocadoras. En nuestra interpretación, la conversación ilustrada en la viñeta se mueve entre dos grandes ideas de la ciencia del set (Tabla 3.1), es decir: (9) La información genética es transmitida de una generación de organismos a la siguiente generación; (10) La diversidad de los organismos, vivientes y extintos, es el resultado de la evolución; y una gran idea acerca de la ciencia: (12) Las explicaciones, las teorías y modelos científicos son aquellos que mejor dan cuenta de los hechos conocidos en su momento, que se relaciona con observación. Lo que demuestra una fluidez en la conversación entre las grandes ideas de y acerca de la ciencia.

En la conceptualización de las grandes ideas está bien descrito el vínculo que debe producirse entre las grandes ideas y las experiencias de la vida diaria de los estudiantes, por ejemplo, en el principio cinco, que dice que “la progresión hacia las grandes ideas debe resultar del estudio de temas de interés para los estudiantes y relevancia en sus vidas” (Harlen, 2010, p.10). Esto también se observa en la clase de Delia, cuando aprovecha la visita de una estudiante al humedal cerca de la escuela para iniciar la conversación. Ese enunciado sobre lo que vio la estudiante se usó como punto de partida para discutir cuál es el significado de la familia de aves, lo que se movió a otras preguntas relacionadas con comportamiento: “Yo dije que el pilpilén se subió en la garza. Se ayudaron mutuamente y ahí me pregunto si eso significa que son familia”; taxonomía: “Yo creo que, si fueran de la misma familia, como dice Martina, deberían ser iguales poh, pero cada animal tiene sus características, son todas diferentes.”; genética: “No estoy de acuerdo con la Martina porque tendría que ser un ave parecida al pilpilén y a la garza, no se combinarían. ¡La mezcla sería un hijo IMPOSIBLE! ¡Es raro!”; y evolución: “Ahí nos podemos preguntar ¿por qué las garzas son todavía garzas y los pilpilenes aún pilpilenes y no podemos ver garzapilenes? ¿Ni pilpigarzas?”; y sobre naturaleza de la ciencia: “dada la observación de Martina, hemos estado discutiendo todo esto! ¿Ustedes piensan que los científicos tienen estas conversaciones?” Todos ellos planteados por los estudiantes y Delia.

En relación con la progresión que el marco de grandes ideas propone, pareciera que Delia parte de una experiencia cotidiana de sus estudiantes para pasar a una idea más abstracta. En este caso, se pasa de la observación de la estudiante en el humedal al cuestionamiento de las observaciones que hacen los científicos para construir una explicación científica. La cuestión de la naturaleza de la ciencia a partir de la observación de aves parece estar relacionada con avanzar hacia una idea más amplia desde una idea más concreta, que ella explica de la siguiente forma:

“Al principio es importante que ellos [los estudiantes] reconozcan los diferentes tipos de aves, porque después quiero abordar otro contenido, en este caso adaptación, pero deben estar preparados de antemano para comprenderlo. Deben tener claro qué es una característica de un ave y porqué cambió o no, o cuáles son las estructuras que permiten que la especie exista tal como es en este momento” (Entrevista 2).

Delia pareciera estar reconociendo las “pequeñas” ideas que permitirán comprender posteriormente la “gran” idea. Esas pequeñas ideas provienen directamente de las observaciones y opiniones, a veces impugnadas, de los estudiantes, mientras Delia da una dirección hacia el objetivo de su clase.

Como mencionamos anteriormente, los profesores están llamados a vincular la vida de los estudiantes y las grandes ideas desde lo que propone el marco de Harlen y el mismo currículum de ciencias de Chile. Sin embargo, en el caso de Delia, ella parece construir la mezcla de grandes ideas, habilidades y actitudes —observación y actitud científica— partiendo de la experiencia de la estudiante observando las aves. En ese sentido, el vínculo se hace en el sentido contrario: desde la vida cotidiana a la ciencia escolar, es decir, Delia trae la vida cotidiana a la escuela. La emergencia de la especie imaginada llamada “garzapilén” permite representar lo que Delia propone como compartir el control en sus clases. Durante la conversación, ella planteó la posibilidad de la existencia de esta especie, después que un estudiante introdujo la idea de una especie mezcla garza y pilpilén, la que es discutida por algunos estudiantes:

“Es sospechoso. Yo creo que podrían tener un hijo, pero esa cría sería distinta, sería muy raro, entonces tendría un cuello muy gigante y otra parte chiquitita” —y dudosamente aceptada por otros –“Mmm, ¿sí?”—. En lugar de dar la respuesta respecto a las posibilidades restringidas de reproducción sexual entre diferentes especies, Delia permite que los estudiantes se retroalimenten entre sí hasta que la especie imaginada queda fuera de cuestionamiento “¡La mezcla sería un hijo IMPOSIBLE!”. Sobre este momento Delia expresó su posición:

“Es importante dar crédito a esa discusión y evitar decir ‘nooo, eso no es posible’. Recuerdo que pensé, qué pasaría si les dijera ahora que es raro el cruce de dos especies diferentes y que conocemos algunos casos como el caballo y el burro, pero el ‘híbrido’ es una mula estéril, por lo que no hay posibilidad para continuar la especie; eso sería como decir ‘el viejo pascuero no existe’ y ¡listo!, pero en cambio preferí seguir la conversación y luego solos se dieron cuenta de eso” (Entrevista 2).

Para Delia, “dar crédito” o que “luego solos se dieron cuenta de eso” parece relacionarse con su confianza en que el objetivo de la clase se alcanzará en algún momento. En su relato, la discusión podría considerarse emergente, como el mismo garzapilén. Esta discusión pareciera que no puede ser interrumpida, incluso si la interrupción significa explicitar lo que ha sido el acuerdo más aceptado de la comunidad científica respecto al cruce entre diferentes especies. En un sentido más amplio, Delia ha estado cambiando su comprensión de lo que debería esperarse en una clase de ciencias:

“En este punto de mi vida, entendí que todo se muestra tan fragmentado que me dije: ‘esta cuestión hay que juntarla’. Al hacerlo, podemos entender que el conocimiento está dentro de la vida; si no sé porqué el conocimiento científico es útil, estoy perdiendo tiempo” (Entrevista 1).

En su origen, el objetivo del enfoque de las grandes ideas propuesto por Harlen (2010), fue conectar conceptos científicos que la mayoría de las veces aparecen fragmentados en el plan de estudios, que es a lo que Delia también apunta como profesora enseñando ciencias. No obstante, en su reflexión, Delia parece ir más allá. No solo se trata de vincular el entorno con diferentes ideas científicas, sino que de comprender —ella y los estudiantes— que la ciencia es parte de la vida, “está dentro de la vida” y nos ayuda a explicarla.

De acuerdo con el plan de estudios de ciencias chileno para cuarto básico, se propone que los objetivos de aprendizaje relacionados con la adaptación y las características de los animales y las plantas se enseñen en dos clases, pero, en el caso de Delia, ella ocupó tres clases para comenzar a desarrollar lo que estamos llamando ‘mezcla de grandes ideas’; por lo tanto, podríamos pensar que usa más tiempo que el que se prescribe en el documento curricular oficial chileno. Sin embargo, al analizar esta combinación de grandes ideas, Delia podría estar abriendo preguntas sobre genética y evolución, que en el mismo plan de estudios chileno corresponden a segundo y primero medio, respectivamente, lo que significaría que Delia estaría ‘ganando’ tiempo, porque está conectando dominios científicos de diferentes niveles de escolaridad, lo que apunta también a la progresión entre niveles.

2.2 Explorando algunas grandes ideas acerca de la Ciencia

La segunda experiencia corresponde a una parte del curso de Didáctica de las Ciencias, dictado para segundo año de la carrera de Pedagogía en Biología y Ciencias Naturales. Esta parte del curso tenía como objetivo profundizar el significado de la alfabetización científica, su relación con la naturaleza de la ciencia, y la cultura de la paz11. Para ello, los estudiantes trabajarían en torno a una misma actividad, que ocupó alrededor de seis clases. El objetivo final de la actividad era que los estudiantes del curso diseñaran una experiencia de aprendizaje orientada a la comprensión de la alfabetización científica, que pudiesen ejecutar con estudiantes de primer año de la misma carrera, donde los estudiantes del curso de Didáctica tenían el rol de profesor o profesora.

Para ello, se trabajó utilizando la Brújula de Diseño para Mejorar la Vida (Figura 3.2), desarrollado por INDEX12 bajo la metodología de Design Thinking (Stenlev y Boegeskov, 2016), la cual fue adaptada al contexto y a los tiempos disponibles.

Figura 3.2 Brújula de Diseño para mejorar la vida (Modificado de Stenlev y Boegeskov, 2016).

La primera fase de la Brújula —Preparar— tuvo por objetivo identificar, seleccionar y concretar el desafío que los estudiantes iban a abordar. Considerando las relaciones entre alfabetización científica, naturaleza de la ciencia y la cultura de la paz, se propuso a los estudiantes trabajar alguno de los siguientes cuatro “desafíos preliminares”. En negrita, se señalan las grandes ideas acerca de la ciencia y la educación en ciencias que están involucradas:

1 Les hago ver a mis (futuros) estudiantes, que la Ciencia y la Tecnología son un eje de desarrollo de la sociedad.

2 Les hago ver a mis (futuros) estudiantes que la Ciencia y la Tecnología tienen un papel importante en disminuir la violencia y fomentar la cultura de la paz.

3 A través de la educación en ciencias, promuevo en mis (futuros) estudiantes la idea de la Educación en Ciencia como herramienta para mejorar su/nuestra calidad de vida.

4 A través de la educación en ciencias, les hago ver a mis (futuros) estudiantes que la Ciencia está presente en la vida cotidiana y que el tener conocimiento científico no solo es una necesidad, sino también un derecho de todos

En torno a sus intereses, los estudiantes formaron cuatro grupos, cada uno de los cuales abordó uno de los desafíos. Luego, cada grupo realizó una lluvia de ideas escribiendo en papeles las preguntas, afirmaciones o conceptos que emergieran en relación con el desafío escogido. Estos papeles se expusieron en el suelo, y las ideas expresadas en ellos se categorizaron, se ordenaron, se discutieron y se resumieron en un mapa conceptual.

Cada grupo puso un nombre a su actividad. De modo de ilustrar lo realizado, se muestra como ejemplo lo desarrollado por el grupo que abordó el desafío n° 2, cuya actividad se nominó “La Ciencia de la Sequía”.

Una vez elaborados los mapas, se instó a los estudiantes a formular un desafío más específico, que pudiese ser abordado a través del diseño de una experiencia de aprendizaje contextualizada.

En el caso del grupo que eligió el desafío N° 2, la discusión derivó en que a menudo la Ciencia es vista como algo negativo, sin visualizar que el desarrollo científico podría ayudar a la resolución de conflictos a través de la mejora de la calidad de vida. No obstante, también se generó la discusión acerca de que la ciencia no siempre es neutral, y con frecuencia está cruzada por intereses económicos o políticos, que no siempre coinciden con buscar el bien común. Bajo este contexto, surgió la idea de abordar el problema del agua en Chile. Este tema posibilitaría la visualización de un conflicto real y, a la vez, podría mostrar el potencial rol de la ciencia para resolverlo, siempre y cuando el desarrollo científico-tecnológico tuviera como objetivo el bien común, y no los intereses de individuos particulares.

Luego de formulado el desafío específico, se pasó a la segunda fase de la Brújula —Percibir—, que tuvo como objetivo identificar qué sabemos y qué necesitamos saber. En una primera instancia, y teniendo a la vista su desafío, cada grupo respondió las siguientes preguntas: ¿Qué sabemos? ¿Qué creemos que sabemos? ¿Qué necesitamos saber? ¿A quién le podemos preguntar? ¿Dónde podemos buscar información? Otras preguntas orientadoras fueron: ¿Qué tema o concepto vamos a usar de “escenario” para desarrollar el desafío? ¿Qué se debe considerar en el diseño de la actividad para contribuir a la generación de un cambio conceptual y social? ¿Cuáles podrían ser posibles concepciones alternativas que dificulten el aprendizaje? ¿Cómo puedo “desafiar” a esas concepciones? De allí surgió la necesidad de saber más acerca del “usuario”. Dado que la experiencia de aprendizaje estaría dirigida a los estudiantes de primer año de la carrera, era necesario conocer más acerca de ellos. Para eso, cada grupo generó un conjunto de preguntas que permitieran exponer las concepciones previas que los estudiantes de primer año tenían acerca de los temas a abordar. Dichas preguntas se formularon por escrito y las respuestas fueron utilizadas en la siguiente fase. En el caso del grupo La Ciencia de la Sequía, las preguntas que se formularon a los estudiantes de primer año fueron: (a) Explica en un esquema el ciclo del agua; (b) ¿Cuál es el rol que cumple la ciencia para la sociedad? (c) ¿Crees que la ciencia es objetiva? ¿Tiene intereses económicos?

Figura 3.3 Ejemplo de mapa para el desafío N° 2. “Les hago ver a mis (futuros) estudiantes que la Ciencia y la Tecnología tienen un papel importante en disminuir la violencia y fomentar la cultura de la paz.

La tercera fase de la Brújula —Prototipar— consistió en diseñar la experiencia de aprendizaje propiamente tal. Los grupos debían considerar el análisis realizado a las respuestas de los estudiantes de primer año, y basarse, para el diseño, en el ciclo del aprendizaje propuesto por Sanmartí (2000), el cual considera las siguientes etapas: (a) Exploración o explicitación de concepciones alternativas; (b) Introducción de nuevos puntos de vista, (c) Formalización o síntesis; (d) Aplicación o generalización. Cada experiencia de aprendizaje estaba pensada para durar aproximadamente una hora, y en ella participarían entre siete y diez estudiantes de primer año. En el caso del grupo La Ciencia de la Sequía, la experiencia de aprendizaje consistió en las siguientes etapas:

 Exploración: Se muestra el video “Secos” (disponible en Internet: https://www.youtube.com/watch?time_continue=81&v=-buvEOEBnsQ), realizado por varios actores y actrices chilenas, que evidencia el problema del agua en Chile. Como se describió previamente, ya se había realizado una consulta a los estudiantes respecto de sus ideas sobre el agua y la neutralidad (o no) de la ciencia.

 Introducción de nuevos puntos de vista: A continuación, se pide a los estudiantes que imaginen estar en situación de crear un proyecto para dar solución al conflicto del agua en Chile. Se les indica que no hay límite de financiamiento. Esta actividad se llamó “Farkas”13, puesto que este personaje financiaría el proyecto. Posteriormente, se les sitúa en otro escenario, tanto político como económico, preguntándoles qué cambiarían de su proyecto si quienes lo financian quisieran venderlo o exportarlo a otros países. Esto, con el objetivo de poner en jaque sus concepciones alternativas respecto a que la ciencia es “neutra”, y hacerles ver que finalmente lo que se investiga depende también de los intereses de quienes financian la investigación.

 Síntesis: Se realizan preguntas en relación con la neutralidad (o no) de la ciencia, y si esta está ligada a fines económicos o políticos, y a otros factores que la puedan influir. Con ello, se espera llegar con los estudiantes a la conclusión de que la ciencia no siempre es neutral.

 Aplicación: A continuación, se les presenta un nuevo caso, el cual no tiene relación alguna con el problema del agua. Este caso consiste en una noticia actual y controversial. Específicamente, se les muestra una noticia sobre gemelas modificadas genéticamente. A partir del análisis de este caso, los estudiantes deben aplicar los conceptos aprendidos, y discutir respecto a que la Ciencia está influida por intereses económicos, políticos, entre otros.

La cuarta fase de la Brújula —Producir— implicó la realización de la actividad. Esta se llevó a cabo simultáneamente en cuatro salas (una por grupo), y resultó muy interesante para los estudiantes, tanto de primer como de segundo año, dado que pocas veces habían tenido la posibilidad de discutir ideas acerca de la ciencia, y las maneras en que esta se relaciona con aspectos sociales, económicos, políticos o éticos.

3. Conclusión

Queremos concluir este capítulo enfatizando, desde las experiencias presentadas, la posibilidad que entregan las grandes ideas de la ciencia, tanto en términos de su naturaleza como de su construcción. En términos de su naturaleza, quisiéramos enfatizar la relevancia de mezclar las grandes ideas y el espacio/contexto local, como lo que propone Delia, cuando utiliza el humedal o genera un aprendizaje situado desde las observaciones de sus estudiantes sobre su contexto cercano a la escuela. Esta mezcla, de las grandes ideas y el contexto local, pensamos que podría contribuir directamente a la anhelada alfabetización científica de la población, por cuanto acerca la ciencia a la experiencia de los estudiantes. En este mismo sentido, en la segunda experiencia, se releva la importancia de agregar a las ideas acerca de la ciencia lo que tiene que ver con cómo la ciencia incide en cuestiones políticas, económicas y sociales. Nos parece interesante destacar, respecto de la naturaleza de las grandes ideas, la posibilidad de considerarlas en un nivel transversal, esto es, en diferentes niveles, ya sea en formación continua, práctica en el aula, o formación inicial. Dicho de otra manera, y pensando en que las grandes ideas han de co-construirse con los estudiantes, podríamos pensar en que estudiantes de básica, estudiantes de universidad y docentes en ejercicio, pueden trabajar las grandes ideas integradamente. De esa forma, las grandes ideas pueden considerarse un constructo que es “vacío” (empty signifier), porque permite el “llenado” de distintas conceptualizaciones. Tiene forma, pero no es prescriptivo, sino que, como principio general, indica cierto patrón que permite un desarrollo y no una limitación.

En cuanto a la construcción de las grandes ideas, nos parece importante destacar que, si bien existe un constructo desde la literatura —como lo propuesto por Harlen y colaboradores—, es vital considerar además las prácticas de los profes en una lógica híbrida de construcción de conocimiento. Pensamos que de esa manera se rescata mayor diversidad de experiencias, lo que aporta un aprendizaje más situado. Por último, las grandes ideas pueden ser consideras como un vehículo co-construido (academia, profesores en formación y ejercicio, estudiantes) que transporta estas ideas no solo de la ciencia, sino que también acerca de la ciencia y su relación con la sociedad.

Agradecimientos

Agradecemos la generosidad de la profesora Delia Cisternas y de los profesores en formación Catalina Cañete, Daniel Galaz, Eyleen González y Javiera Pino por compartir con nosotras sus ideas y permitir compartirlas con ustedes a través de este capítulo. Asimismo, agradecemos a los estudiantes de Delia, y a los estudiantes de primer y segundo año de la Carrera de Pedagogía en Biología y Ciencias Naturales 2019, por permitirnos aprender de sus experiencias.

4. Referencias

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Bravo, P., Astudillo, P., Cisternas, D. y Flores, R. (2019). Una profesora de kínder, una profesora de 4° y un profesor de 6° entran a una escuela: enseñando con grandes ideas de la ciencia. Perspectiva Educacional, 58(1), 49-68. doi: 10.4151/07189729-Vol.58-Iss.1-Art.822.

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1 Facultad de Filosofía y Humanidades. Universidad Alberto Hurtado. E-mail: clvergara@uahurtado.cl

2 Instituto de Biología, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. E-mail: hernan.cofre@pucv.cl

3 Profesor de la Facultad de Educación, Psicología y Familia, Universidad Finis Terrae, Santiago, Chile.

4 Ms. en Didáctica de las Ciencias Experimentales. Bióloga y profesora de Biología. Investigadora en el Laboratorio de Neurociencias, Escuela de Kinesiología. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. E-mail: martina.valencia@pucv.cl

5 Dr. en Educación Científica. Profesor de Didáctica de la Biología, Freie Universität Berlín. E-mail: dirk.krueger@fu-berlin.de

6 Instituto de Biología, Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.

7 UCL Institute of Education, London, UK.

8 Centro de Investigación Avanzada en Educación, Chile.

9 El primer reporte, Principios y grandes ideas de la educación en ciencias, es posible recuperarlo de la página: http://innovec.org.mx/home/images/Grandes%20Ideas%20de%20la%20Ciencia%20Espaol%2020112.pdf

El segundo reporte, Trabajando con grandes ideas de la educación en ciencias, es posible recuperarlo de la página: https://www.interacademies.org/28260/Working-with-Big-Ideas-of-Science-Education-Spanish-version

10 La información que se ocupó para construir este relato fueron observaciones de clase más dos entrevistas realizadas a la profesora. La segunda entrevista fue del tipo de recuerdo estimulado, lo que significó mostrarle extractos de la clase observada para incitar la reflexión sobre la práctica. Este material es parte de una investigación doctoral y su uso cuenta con el consentimiento de la profesora.

11 Entendemos por cultura de la paz, un nuevo tipo de cultura que ayuda a las personas a analizar críticamente la realidad, con el fin de situarse en ella y actuar en consecuencia. Se relaciona con el empoderamiento, ciudadanía democrática, transformación social y solución pacífica de conflictos (Boqué, Pañellas, Alguacil y García, 2014)

12 INDEX: The Index Project, es una organización danesa sin fines de lucro, establecida el año 2002, que premia, enseña e invierte en iniciativas de diseño que sean un aporte a la sociedad. A través de ello, han generado el movimiento “diseñar para mejorar la vida” (ver https://theindexproject.org/).

13 Leonardo Farkas es un empresario y magnate chileno, conocido por sus actos filantrópicos.

Capítulo 4

La Biología y la Naturaleza del Conocimiento Científico

Norman G. Lederman1

Resumen

Este capítulo describe la relación entre el estudio de la biología y la naturaleza del conocimiento científico (NOSK de ahora en adelante por sus siglas en inglés [nature of scientific knowledge]), también conocido como naturaleza de la ciencia (NOS del inglés nature of science). No se debiera asumir que los estudiantes entenderán NOSK como un producto de “hacer” actividades de investigación en biología, sino que debe ser planificado, enseñado explícitamente y evaluado. Los siete aspectos de NOSK que son considerados apropiados para ser aprendidos en la escuela primaria y secundaria son: su tentatividad (sujeta a cambios); el que incluye observación e inferencia; es subjetiva (o guiada por alguna teoría); es creativa; usa y distingue entre teorías y leyes; es social y culturalmente integrada; y tiene una base empírica. Aquí revisamos cada uno de estos aspectos y se dan ejemplos de cómo generar actividades que puedan promover de forma explícita su comprensión. Las actividades que trabajan NOSK solo necesitan incluir algunas preguntas bien planeadas que inviten a la reflexión de estos aspectos.

1. Introducción

Como profesor(a) de biología o ciencias de la vida, es probable que usted pase una parte del primer día de clases explicando a sus estudiantes qué es la biología y qué debieran estudiar durante el año. Normalmente, puede que usted les pregunte a sus alumnos qué piensan que es la biología y cuál será el enfoque de la asignatura. Si no les pregunta a sus estudiantes, puede que ellos hagan la pregunta o, al menos, se harán la pregunta mentalmente. Parece ser una pregunta fácil de responder. Después de todo, usted es un profesor de Biología. Sin embargo, lo más importante es que el enfoque de este capítulo será describir la relación entre el estudio de la biología y la naturaleza del conocimiento científico (NOSK). El nombre más común para este concepto es naturaleza de la ciencia (NOS), tal como se incluye en todos los documentos curriculares de Chile (ej. Mineduc, 2015, 2019). Sin embargo, NOSK fue la expresión original en los años sesenta y describe de manera más precisa el enfoque de NOS. Esto es, las características del conocimiento científico, que no es lo mismo que la diferencia entre la ciencia y otras formas de conocer (por ejemplo: arte, historia, religión). Los detalles de NOSK serán discutidos con mayor detalle posteriormente, así como también se presentarán ejemplos concretos de cómo puede ser abordada mientras se enseña la asignatura de Biología. Pero, lo primero es lo primero.

¿Qué es la Biología?

Prácticamente todos los textos y el currículum de Biología, independientemente del nivel o curso, comienzan con esta pregunta, y la respuesta simple es: la ciencia/estudio de la vida (Curtis, 2009; Lederman, 2007; Lederman y Lederman, 2014). Esto lógicamente nos lleva a una discusión sobre ¿qué es la Vida? Aquí es donde le explicamos a los estudiantes lo que aprenderán durante el año escolar. Pareciera ser, como ya se dijo, una pregunta fácil de responder, pero ¿lo es realmente? Un curso de biología generalmente se divide en las siguientes áreas de estudio principales:

1 ¿Qué es Biología?

2 Base de la Vida Física/Química

3 Estructura, Organización y Procesos Celulares

4 Flujo de Energía

5 ATP, Glucólisis y Respiración

6 Fotosíntesis

7 Genética

8 Clasificación de Organismos Vivos

9 Procariontes

10 Protistas

11 Hongos

12 Reino Animal

13 Reino Vegetal

14 Biología de la Población

15 Variabilidad y Evolución

16 Ecología

Estas áreas de estudio están expresadas en términos muy generales (los resultados de aprendizaje específicos no están delineados) y la secuencia de dichas áreas normalmente varía de un docente a otro y de currículum a currículum. Sin embargo, todo lo que ha sido presentado aquí es específico de lo que se incluye en el estudio de los seres vivos. No obstante, la pregunta más importante es: ¿Qué es la Vida? Esta pregunta relativamente simple pareciera tener una respuesta sencilla. Sin embargo, la respuesta es compleja e incluso profesores de Biología tienen dificultades para ofrecer una respuesta definitiva. Es mucho más fácil describir características de organismos vivos, en contraste con objetos inanimados, que ofrecer una definición clara. Una lista común de características normalmente contiene unos 12 elementos, la mayoría de los cuales los estudiantes pueden deducir conceptualmente al examinar seres vivientes e inanimados o imágenes disponibles. Una lista típica incluye los siguientes:

1 Las células son la base estructural de la vida y todas las células provienen de células preexistentes.

2 Reproducción

3 Metabolismo

4 Secreción

5 Excreción

6 Adaptación

7 Absorción

8 Irritabilidad

9 Digestión

10 Respiración

11 Asimilación

12 Locomoción

Reitero que esta lista no es exhaustiva o definitiva (por ejemplo, ¿están los virus vivos o no?), pero ayuda a los estudiantes a distinguir entre lo vivo y lo no vivo, y lo que será estudiado durante su curso de biología. Ahora que hemos discutido la parte Vida de la respuesta a la pregunta ¿qué es Biología?, nuestra atención debe volcarse a la parte que no hemos respondido aún.

2. Desarrollo

2.1 ¿Qué es Ciencia?

Nuevamente, esta es una pregunta engañosamente simple que los profesores de ciencias deberían ser capaces de responder. Sin embargo, desde la experiencia, sabemos que si se hace esta pregunta a un grupo de 30 profesores de ciencia, recibiremos alrededor de 20 respuestas distintas. Esta pregunta es tan difícil de responder como: ¿Qué es la vida? La respuesta que consideraremos aquí tiene tres partes: un cuerpo de conocimiento, la indagación o prácticas científicas, y NOSK. El cuerpo de conocimiento de ciencia (o biología en este caso), ha sido recientemente discutido. La indagación/prácticas científicas es lo que los científicos hacen para desarrollar un cuerpo de conocimiento (por ejemplo, desarrollar preguntas, observar, recolectar y analizar datos, generar conclusiones, etc.). Una discusión mucho más detallada de indagación/prácticas se presenta en el Capítulo 6 de este libro. Sin embargo, basta decir que la indagación/prácticas y NOSK son los dos aspectos de la ciencia que no están incluidos de manera adecuada en la enseñanza de la ciencia y el currículum de ciencias. También son los dos aspectos de la ciencia que, además del conocimiento de la disciplina, son claves para el logro de la alfabetización científica (Showalter, 1974).

Dada la forma en que los científicos desarrollan el conocimiento científico (por ejemplo, indagación/prácticas), ese conocimiento es generado con ciertas características. Estas características son lo que típicamente constituyen NOSK (Lederman, 2007). Hay una falta de consenso entre científicos, historiadores de la ciencia, filósofos de la ciencia, y educadores de ciencias, respecto de cuáles son los aspectos particulares de NOSK. Esta falta de consenso, sin embargo, no debería ser ni desconcertante ni sorprendente, dada la naturaleza multifacética y la complejidad del quehacer científico. Las concepciones de NOSK han cambiado a través del desarrollo de la ciencia y el pensamiento sistemático sobre ella, y se reflejan en la forma en que la comunidad científica y de educación en ciencias han definido la frase “naturaleza de la ciencia” (NOS) durante los pasados 100 años (por ejemplo, AAAS, 1990, 1993; Lederman, 2007; NSTA, 1982). Sin embargo, muchos de los desacuerdos respecto de la definición o el significado de NOSK que aún existen entre filósofos, historiadores y educadores en ciencias son irrelevantes para la enseñanza escolar primaria y secundaria. El problema de la existencia de una realidad objetiva comparada con las realidades fenomenológicas es un buen ejemplo. Hay un nivel aceptable de generalidad en relación con NOSK que es accesible a estudiantes de educación primaria y secundaria, y es relevante para sus vidas cotidianas. En este nivel, existe poco desacuerdo entre filósofos, historiadores y educadores en ciencias. Entre las características de la empresa científica que corresponden a este nivel de generalidad tenemos que el conocimiento científico es tentativo (sujeto a cambios); con base empírica (basado en y/o derivado de las observaciones del mundo natural); subjetivo (con una carga teórica); implica necesariamente inferencia, imaginación y creatividad humana (incluye la invención de explicaciones); y está inserto social y culturalmente. Dos importantes aspectos adicionales son: la distinción entre observación e inferencias, y las funciones de, y las relaciones entre las teorías y las leyes científicas. Lo que sigue es una breve consideración de estas características de la ciencia y del conocimiento científico. Estos siete aspectos de NOSK no deben ser considerados como una lista exhaustiva o “LA” lista, pero está filtrada en relación con la audiencia escolar primaria y secundaria.

2.2 Características de NOSK

Primero, los estudiantes deberían estar conscientes de la distinción clave entre la observación y la inferencia, y del hecho de que todo conocimiento científico se deriva de la observación y, al menos de manera parcial, de la inferencia. Las observaciones son declaraciones descriptivas sobre fenómenos naturales “directamente” accesibles a través de los sentidos (o de extensiones de estos) y sobre los cuales varios observadores pueden alcanzar un consenso con relativa facilidad. En contraste, las inferencias son declaraciones sobre fenómenos que no son “directamente” accesibles a los sentidos. Por ejemplo, los objetos tienden a caer al suelo debido a la “gravedad”. La noción de gravedad es inferencial en el sentido de que solo se puede acceder a ella y/o medir a través de sus manifestaciones o efectos. Ejemplos de tales efectos incluyen las perturbaciones en órbitas planetarias pronosticadas debido a “atracciones” interplanetarias, y la refracción de la luz proveniente de las estrellas que sucede cuando sus rayos pasan a través del campo “gravitacional” solar.

Segundo, la distinción entre las leyes y las teorías científicas es otra cosa de la que los estudiantes deben estar conscientes. Los individuos a menudo tienen una visión simplista, jerárquica, de la relación entre las teorías y las leyes a través de las cuales las teorías se convierten en leyes, dependiendo de la disponibilidad de la evidencia de respaldo. Se desprende de esta noción que las leyes científicas tienen un estatus más alto que las teorías científicas. Ambas nociones, sin embargo, son inapropiadas porque, entre otras cosas, las teorías y las leyes son diferentes tipos de conocimiento, y una no puede desarrollarse o ser transformada en la otra. Las leyes son declaraciones o descripciones de relaciones entre fenómenos observables. La ley de Boyle, que relaciona la presión de gas a su volumen a una temperatura constante, es un buen ejemplo (Lederman, 1998). Las teorías, en contraste, son explicaciones inferidas de fenómenos observables. La teoría molecular cinética, que explica la ley de Boyle, es un ejemplo. Además, tanto las teorías como las leyes son un legítimo producto de la ciencia. Los científicos normalmente no formulan teorías con la esperanza de que un día adquieran el estatus de “leyes”. Las teorías científicas, en sí mismas, tienen roles importantes, tales como guiar la investigación y generar nuevos problemas de investigación, además de explicar grandes grupos de observaciones aparentemente no relacionadas en más de un campo de investigación.

Tercero, aunque el conocimiento científico está, al menos en parte, basado en y/o derivado de observaciones del mundo natural (por ejemplo, empírico), un cuarto aspecto importante implica imaginación y creatividad humana. La ciencia, contrariamente a la creencia popular, no es una actividad carente de vida, y extremadamente racional y ordenada. La ciencia implica la invención de explicaciones, y esto requiere una gran cantidad de creatividad por parte de los científicos. El “salto” desde líneas espectrales atómicas al modelo atómico de Bohr, con sus órbitas elaboradas y niveles de energía, es otro buen ejemplo. Este aspecto de la ciencia, acompañado de su naturaleza inferencial, implica que los conceptos científicos, tales como átomos, agujeros negros y especies, son modelos teóricos funcionales, más que copias fieles de la realidad.

Quinto, el conocimiento científico es subjetivo o con carga teórica. Los compromisos teóricos de los científicos, así como sus creencias, conocimientos previos, formación, experiencias y expectativas, influyen en su trabajo. Todos estos factores contextuales forman una mentalidad que afecta los problemas que los científicos investigan y cómo conducen sus investigaciones, qué observan (y qué no observan), y cómo dan sentido e interpretan sus observaciones. Es digno de atención que, contrariamente a la creencia popular, la ciencia nunca comienza con observaciones neutrales (Chalmers, 1982). Las observaciones (e investigaciones) siempre son motivadas y guiadas por y adquieren significado en referencia a preguntas o problemas. Estas preguntas o problemas, a su vez, surgen desde ciertas perspectivas teóricas.