DE ANIVERSARIO

Enseñando a comprender lanaturaleza de la materia: el diálogoentre la química y nuestros sentidosMiguel Ángel Gómez Crespo,1 Juan Ignacio Pozo,2 María Sagrario Gutiérrez Julián3

La química es una materia tradicionalmente consi-derada difícil por muchos alumnos, que se acercana esta disciplina como quien se aproxima a unacaverna misteriosa llena de secretos sólo aptos parainiciados (vestidos con bata blanca y trabajando conextraños aparatos) a los que sólo se puede accedertras grandes esfuerzos y, muchas veces, con la incer-tidumbre de si formarán parte de los elegidos capa-ces de ‘‘superar’’ el reto. Sin embargo, la química esalgo presente en nuestra vida diaria y más familiarde lo que parece. Pero, efectivamente, como muestrala experiencia de los profesores, aprender químicano resulta sencillo. ¿Por qué es difícil aprender quí-mica? Lógicamente, la respuesta va a tener que vercon las características de los contenidos propios deesta materia. Pero, también va a tener que ver conaspectos más amplios del aprendizaje relacionadoscon cómo se aprende la ciencia. En este artículovamos a intentar analizar algunos de los procesosque tienen lugar cuando el alumno intenta aprenderalgunos de los contenidos de la química y las dificul-tades que encuentra. Pero, también, presentaremosalgunas propuestas de estrategias de enseñanzaorientadas a facilitar el cambio conceptual.

El aprendizaje de la cienciaSon muchas las investigaciones que se han hecho enlos últimos años en relación con la comprensiónde los procesos de aprendizaje de la Ciencia. Mu-chos de estos trabajos se han centrado en estudiar lasideas intuitivas fuertemente arraigadas con las quelos alumnos llegan a la escuela y las dificultades queesas ideas supuestamente provocan en la adquisicióndel conocimiento científico, de modo que muchas deesas ideas persisten incluso después de varios años

de instrucción específica. A partir de estos estudiosse ha asumido que aprender ciencia requiere unprofundo cambio conceptual que ayude a reorgani-zar las representaciones intuitivas o cotidianas de losalumnos y que, por tanto, para lograr un verdaderoaprendizaje de la ciencia es preciso diseñar estrate-gias de enseñanza orientadas al logro de ese cambioconceptual.

Aunque existen muy diversas interpretacionesde la naturaleza de esas ideas y los procesos mediantelos que pueden cambiarse (véase por ejemplo, Glynny Duit, 1995; Limón y Mason, 2002; Pozo y GómezCrespo, 1998; Rodríguez Moneo, 1999; Schnotz,Vosniadou y Carretero, 1999), desde todas ellas seasume que esas dificultades en la comprensióny aprendizaje de la ciencia se deben en buena medi-da a que el conocimiento científico que se pretendeenseñar resulta contrario a muchas de las suposicio-nes y creencias que los seres humanos tenemos sobreel mundo. Desde nuestro punto de vista, ese apren-dizaje requerirá no sólo acercar los saberes científi-cos a la gente sino hacerlo de tal manera que facilite,más allá del cambio conceptual, un cambio repre-sentacional (Pozo, 2002; Pozo y Rodrigo, 2001), uncambio en la forma de representarse el mundo quepermita la comprensión y asimilación de las teoríasy los modos de hacer ciencia. Según esta idea, lascapacidades necesarias para hacer ciencia no forma-rían parte del equipamiento cognitivo de serie de losseres humanos, sino que son un costoso extra culturaly educativo (Pozo y Gómez Crespo, 2002 a y b). Portanto, aprender ciencia requiere dotar al alumno decapacidades y formas de pensar, que son difícilesde incorporar a un sistema cognitivo que resulta muyeficaz en el mundo cotidiano, aunque restrinja seria-mente su capacidad de representar el mundo me-diante los modelos y teorías de la ciencia. Modelosque se enseñan en la escuela, muchas veces sin fijarsus limitaciones, y con los que, para disminuir sucomplejidad, se trabaja en condiciones idealizadas.Frente a ellos, los alumnos manejan sus modeloscotidianos que les permiten, en muchos casos, des-cribir la realidad de una forma aproximada, pero

En este número de la revista,la sección DE ANIVERSARIOpresenta ocho artículosrelacionados con el tema delas concepciones alternativasestudiantiles y el cambioconceptual.

1 I.E.S. Victoria Kent. Torrejón de Ardoz, Madrid.2 Facultad de Psicología. Universidad Autónoma de Madrid.3 I.E.S. Tirso de Molina. Madrid.* Este trabajo se ha realizado dentro del Proyecto de investi-gación BSO2002-01557, financiado por el Ministerio de Cien-cia y Tecnología de España, bajo la dirección del segundoautor.

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más sencilla, y, sobre todo, hacer predicciones co-rrectas sobre el mundo que les rodea, aunque lasexplicaciones que proporcionan puedan resultarerróneas.

Numerosas investigaciones muestran que el co-nocimiento cotidiano con el que los alumnos llegana la escuela compite, la mayoría de las veces conventaja, con el conocimiento científico que se intentatransmitir a través de ella. No encuentran la necesi-dad de recurrir a modelos más complejos cuandomanejan otro más simple. Cambiar ese conocimien-to cotidiano y las ‘‘concepciones alternativas’’ a lasque da lugar requiere algo más que sustituir las ideasde los alumnos por otras científicamente más acep-tables, como tradicionalmente se ha intentado. Sehace necesario modificar los principios, implícitos, apartir de los que los alumnos han elaborado suconocimiento, que en la mayoría de los casos sondiferentes a los que estructuran las teorías científicas(Pozo y Gómez Crespo, 1998).

Centrándonos en la química, son muchas lasdificultades de aprendizaje que se han investigado,por lo que no es posible abordarlas de modo exhaus-tivo en este trabajo (véase, por ejemplo: Driver et al.,1994; Garnett et al., 1995; Gómez Crespo, 1996;Mortimer, 2001; Osborne y Freyberg, 1985; Pozo yGómez Crespo, 1998; Pozo et al., 1991). Por tanto,vamos a centrarnos en uno solo de estos aspectos: lacomprensión de la naturaleza corpuscular de la ma-teria, sobre cuyas dificultades de aprendizaje se hanacumulado numerosos estudios que muestran laexistencia de fuertes concepciones intuitivas, queparecen oponerse a esa comprensión, y que persis-ten incluso después de largos periodos de instruc-ción (por ejemplo: Benlloch, 1997; Gabel y Bunce,1994; Gómez Crespo, Pozo y Sanz, 1995; Huann,2000; Llorens, 1991; Niaz, 2000; Pozo, Gómez Cres-po y Sanz, 1999; Stavy, 1995). Al igual que ocurre enotros dominios de la ciencia, las concepcionesintuitivas, o ‘‘teorías implícitas’’ (Pozo y Gómez Cres-po, 1998), sobre la naturaleza de la materia y suscambios son producto de lo que podríamos con-siderar el ‘‘sentido común’’ ----o el funcionamientocognitivo intuitivo---- aplicado a la predicción y con-trol de los fenómenos cotidianos, lo que da lugar aconcepciones y representaciones que están media-das por nuestros sentidos, por la forma en que per-cibimos el mundo en que vivimos, y que estánestructuradas, como se ha dicho, en torno a unosprincipios muy diferentes de los que estructuran lasteorías científicas.

La comprensión de la estructura de la materiaLa comprensión de la estructura de la materia es unnúcleo importante de contenidos, dentro de la quí-mica que se estudia en la educación secundaria, quehace referencia a la interpretación de las propieda-des y los cambios de la materia; cambios y propie-dades que pertenecen al mundo de lo que podemosobservar con nuestros sentidos, el mundo macroscó-pico. Uno de los objetivos de la educación secunda-ria es que los alumnos aprendan a interpretar esosfenómenos macroscópicos en términos microscópi-cos (submicroscópicos, en sentido estricto); es decir,que aprendan a utilizar el modelo corpuscular de lamateria como instrumento interpretativo de los dis-tintos fenómenos que tienen lugar en la naturaleza.Este modelo resulta fundamental para poder expli-car, por ejemplo, las diferencias entre los diferentesestados de la materia, sus propiedades y los cambios,físicos o químicos, que experimentan. Sin embargo,descender al terreno microscópico implica asumirque, para explicar la realidad macroscópica de lamateria ----que en muchos casos se nos presenta, comocontinua y estática----, la ciencia nos propone un mo-delo interpretativo (la teoría cinético corpuscular)basado en tres ideas: la materia está formada porpequeñas partículas que no podemos ver; las par-tículas se encuentran en continuo movimiento, fren-te a la apariencia estática con la que se nos presenta;entre esas partículas no hay absolutamente nada, loque conlleva algo tan contraintuitivo como la ideade vacío y una naturaleza discontinua, frente a laapariencia continua con que la percibimos.

Estas tres ideas resultan fundamentales para ex-plicar las diferencias entre los diferentes estados dela materia (sólido, líquido y gas) y todos los cambiosque experimenta. Así, por ejemplo, si ponemos unglobo al sol, al cabo de un rato vemos que se hahinchado un poco. Desde un punto de vista macros-cópico la explicación sería que, con el calor, el aireque hay en su interior se ha dilatado o bien que elaumento de temperatura hace aumentar la presióndel aire en el interior. Sin embargo, el modelo mi-croscópico nos permite ir más allá y explicar por quése ha producido ese cambio. El calor provoca unaumento de la energía cinética media de las partícu-las o, lo que es lo mismo, un aumento en la agitaciónde las partículas que componen el aire del interior.El aumento de agitación de las partículas se traduceen una mayor violencia en las colisiones contra lasparedes del globo, lo que provoca, al ser elásticas,que aumente la distancia entre las partículas que

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componen el aire. En definitiva, la teoría ciné-tico corpuscular permite establecer mecanismoscausales para explicar los cambios de la materia.

Las investigaciones realizadas muestran que losestudiantes aceptan fácilmente el modelo corpuscu-lar que se enseña en la escuela, pero no lo utilizande forma espontánea y recurren, para sus explicacio-nes, a sus teorías cotidianas, basadas en las propie-dades macroscópicas de la materia, más cercanas alas dimensiones ‘‘físicas’’ del mundo real (Pozo, Gó-mez Crespo y Sanz, 1999). Tan sólo, cuando lasituación lo induce de alguna manera (la preguntadel profesor, el contexto de la tarea, etcétera) recu-rren a este modelo; pero, cuando lo hacen, en mu-chas ocasiones asignan a las partículas todas aquellaspropiedades que atribuyen al mundo que les rodea.Para ellos, la teoría corpuscular no es realmente unmodelo explicativo de las propiedades de la materia,tal como nos plantea la ciencia, sino que más biennecesitan recurrir a su conocimiento cotidiano parapoder explicar y comprender esas teorías ‘‘extrañas’’que se explican en la escuela y que es necesarioaprender. Es decir, trastocando los papeles, se acabapor explicar el funcionamiento de las partículas apartir de las propiedades del mundo macroscópico,en lugar de hacerlo a la inversa (Pozo y GómezCrespo, 2002a). El resultado es que tras un decoradoaparentemente químico, al que se han ido incorpo-rando términos más o menos ‘‘técnicos’’ (molécula,iones, enlaces, cargas, etcétera), permanece un en-tramado conceptual que corresponde al conocimien-to cotidiano del que se partía.

Podríamos recurrir a numerosos estudios paraavalar estas afirmaciones, pero no pretendemos ha-cer aquí un repaso minucioso de las investigaciones

en esta área, sino más bien ilustrar el problema conalgunos ejemplos de esta resistencia al cambio con-ceptual, que hemos encontrado incluso entre estu-diantes universitarios de química. Así, en una denuestras investigaciones más recientes (Gutiérrez Ju-lián, Gómez Crespo y Pozo, 2002; Pozo, GutiérrezJulián y Gómez Crespo, 2004) entrevistamos a alum-nos que habían terminado en España su licenciaturaen Ciencias Químicas o Físicas y que estaban comple-tando un periodo de formación en didáctica de laFísica y Química que les facultaría para ser profesoresde secundaria al año siguiente. En una de las situa-ciones, a estos alumnos se les mostraba cómo aumen-taba el tamaño de un globo lleno de aire en el interiorde un recipiente en el que se hacía parcialmente elvacío y se pedía una explicación del fenómeno.

Entre las respuestas que hemos hallado, hayvarias como la que se recoge en la figura 1, en la queel sujeto muestra sus conocimientos de química,conoce perfectamente la composición del aire yrepresenta los enlaces entre átomos; sin embargo, ala hora de explicar lo que ocurre interpreta que lasmoléculas de oxígeno y nitrógeno se acumulan enlas paredes del globo o en la parte superior delrecipiente. Es un ejemplo claro en el que se redescribeel modelo científico en el modelo cotidiano y no alrevés como deberíamos esperar. En otros casos hemosencontrado cómo son incapaces de interpretar elproblema en términos de equilibrio y conciben quela presión del aire del recipiente disminuye al sacarparte del aire, pero la del interior del globo debeaumentar para que pueda hincharse. De forma seme-jante, aceptan que al hacer el vacío haya menos par-tículas de aire en el recipiente y estén más separadasentre sí; sin embargo, conciben que para que el globo

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Figura 1. Ejemplo de respuesta en la que se emplea una terminología química, pero el sujeto considera que las partículas que constituyenel aire se distribuyen en las paredes del globo y en la parte alta del recipiente.

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se pueda hinchar la separación media de las partícu-las en su interior debe ser mucho menor que la delas partículas en el recipiente (véase la figura 2).

Otro ejemplo es el de una persona, tambiénlicenciada en química, que aunque conoce los mo-delos que describen la materia y acepta su naturalezadiscontinua, no es capaz de concebir el vacío entrelas partículas que conforman una sustancia en estadosólido. Así, al discutir sobre la composición del hierro,diferencia entre los modelos teóricos de la químicay lo que él ‘‘realmente’’ ve en un trozo de hierro ‘‘deverdad’’: Tú abstraes y haces modelos, pero entre los átomosde hierro, tiene que haber hierro… Otra cosa es que tú hayasestudiado que están los cationes juntos y que todos loselectrones de alguna manera se separan del núcleo y estánformando una nube de electrones. Eso es cuando tú haceslos cálculos… ¡Pero es que es hierro de verdad!…

Vemos pues que los estudiantes ----no sólo losalumnos de secundaria sino incluso los que tienen yaestudios especializados en química y van a ser, posi-blemente, en un futuro cercano profesores de quími-ca en secundaria---- tienden a interpretar los distintosfenómenos, tanto físicos como químicos, desde unaperspectiva realista en la que se buscan semejanzasentre los efectos o fenómenos que observan (denaturaleza macroscópica) y las causas o modelos(de naturaleza microscópica) desde los que supues-tamente deberían explicarlos (véase Pozo y GómezCrespo, 1998). Por tanto, nada más ‘‘razonable’’ (ointuitivo, de sentido común) que atribuir a las par-tículas (causas) las mismas características de los fenó-menos del mundo que podemos observar (efectos).El resultado es que, aunque acepten la ‘‘existencia’’

de partículas que no pueden verse, tienden a atribuir-les las mismas propiedades que observan en el mun-do macroscópico; por ejemplo, las propiedadesdel sistema del que forman parte, interpretando queson pequeños trozos de la misma materia, tal comola percibimos. De esta forma, los átomos de cobredeberían tener un aspecto rojizo, las moléculas delagua serían como pequeñas gotas de agua, etcétera.Además, para poder explicar los cambios macroscó-picos que la materia experimenta (cambios en laspropiedades del sistema), se interpreta que las par-tículas (los componentes del sistema) también expe-rimentan los mismos cambios que se perciben a nivelmacroscópico en la materia observable (por ejem-plo, las moléculas de agua podrían evaporarse, lasde alcohol arder, las partículas que componen elaire dilatarse, etcétera). Así, para la mayoría de losestudiantes, las partículas, al igual que la materia queperciben, tienen un estado natural que es el reposo,de forma que sólo se moverán si hay un agente ocausa externa que provoque el movimiento (porejemplo, movimiento del objeto en los sólidos, o delrecipiente o al agitar en el caso de los líquidos,presencia de una corriente de aire para los gases,etcétera). De la misma manera, frente a la idea dediscontinuidad con partículas separadas por un es-pacio vacío, los estudiantes tienden a representarseuna materia continua en la que o bien no hay nadaentre las partículas que la componen (están muyjuntas, sin huecos) o bien hay otra sustancia queocupa todos los rincones (por ejemplo, el aire).

Pero no todas las dificultades se presentanal mismo nivel. Así, hemos encontrado que el aspec-

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Figura 2. Ejemplo de respuesta en la que el sujeto encuentra dificultades para concebir el equilibrio de partículas entre el interior delglobo y el exterior.

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to más difícil de aceptar en todas las edades, al igualque ocurrió históricamente, es la discontinuidad dela materia y la idea de vacío. Le sigue en dificultad laaceptación del movimiento intrínseco de las partícu-las que componen la materia. Y, por último, lo quemenos dificultades plantea es la aceptación de losmecanismos implicados en los cambios de la materia(véase, por ejemplo: Gómez Crespo y Pozo, 2000 yen prensa; Pozo y Gómez Crespo, en prensa).

Como consecuencia de esta perspectiva realistay centrada en la forma en que el sujeto percibe lamateria, el aspecto físico de esa materia, la forma enque se presenta es una variable muy relevante a lahora de analizar y dar sentido a las interpretacionesque los estudiantes hacen sobre las propiedades ycambios de la materia. En contra de lo que nospropone la ciencia, nuestro sentido común nos infor-ma de diferente manera de las características de lamateria en sus tres estados: sólido, líquido y gas (Pozoy Gómez Crespo, 1998). Tenemos datos que mues-tran cómo los alumnos, a pesar de haber recibidouna instrucción específica en química, aplican deforma diferente la teoría corpuscular a cada estadode la materia (Gutiérrez Julián, Gómez Crespo yPozo, 2002). Los resultados parecen indicar que lasteorías alternativas, de carácter macroscópico, res-tringidas por la información que nos proporcionannuestros sentidos, son muy consistentes. Sin embar-go, no hay una representación global consistente,independiente de la apariencia perceptiva. Por tanto,podríamos decir que aunque los sujetos carecen deuna teoría global sobre la naturaleza de la materia,disponen de teorías específicas para cada uno de susestados de agregación. Cuando las formas de orga-nización de la materia cambian, y con ellas la apa-riencia física del mundo, adoptando el aspecto de ungas, un líquido o un sólido, las representacionestambién cambian. Aprender química, desde estepunto de vista, implicaría superar las restriccionesque impone la apariencia de la materia hasta llegara utilizar una única representación (la teoría científi-ca) para los tres estados de la materia (Gómez Crespoy Pozo, 2001; Pozo y Gómez Crespo, en prensa).

Pero el dato que resulta más llamativo es que elpatrón de representaciones sobre la naturaleza de lamateria obtenido para estudiantes de secundariatambién se repite, en proporciones muy elevadas,entre sujetos que pueden considerarse, a todoslos efectos, como ‘‘expertos’’ en química: los reciénlicenciados y potenciales profesores de física y quí-mica (más arriba hemos puesto algunos ejemplos).

En esta línea, los datos obtenidos en nuestras inves-tigaciones (Pozo, Gómez Crespo y Sanz, 1999; Gó-mez Crespo y Pozo, 2001; Pozo y Gómez Crespo, enprensa) ya mostraban que los estudiantes universita-rios disponían de múltiples representaciones sobrela naturaleza de la materia, que activaban diferen-cialmente en función del contexto.

El cambio conceptual como redescripciónrepresentacional: hacia un modelo deenseñanzaComo hemos señalado, las investigaciones realiza-das muestran que los sistemas de representación quese utilizan en la enseñanza de la química, fundamen-talmente simbólicos, no facilitan, en muchos casos,la integración y diferenciación de las teorías macros-cópicas con que interpretamos el mundo y las teoríasmicroscópicas que nos proporciona la ciencia. Tantolas investigaciones realizadas por nosotros, a las quenos hemos venido refiriendo, como las de otrosmuchos autores muestran que las teorías implícitaso cotidianas de los alumnos sobre la naturaleza de lamateria y sus cambios persisten, en muchos casos, apesar de la instrucción y no son sustituidas por lasteorías científicas. Incluso los intentos de producir,mediante procedimientos instruccionales específi-cos, un cambio conceptual en este dominio, al igualque en otros muchos, han tenido resultados peoresde lo esperado. La mayor parte de los intentos porlograr un cambio conceptual mediante estrategias deinstrucción científica han estado esencialmente diri-gidos a reemplazar formas simples de conocimiento----las llamadas misconceptions o ideas erróneas de losalumnos, por ejemplo, en nuestro caso la creencia deque la materia es estática y continua, tal como apa-renta---- por conocimientos científicos complejos. Losresultados de esos intentos han sido, como decimos,más bien frustrantes, hasta el punto de que Duit, unode los máximos estudiosos del cambio conceptual,haya llegado a afirmar que ‘‘no hay ni un solo estudioen la literatura de investigación sobre las concepcio-nes de los estudiantes en la que una concepciónconcreta de las profundamente arraigadas en losalumnos haya sido totalmente extinguida y sustituidapor una nueva idea. La mayoría de las investigacio-nes muestran que hay sólo un éxito limitado enrelación con la aceptación de las ideas nuevas y quelas viejas ideas siguen básicamente ‘‘vivas’’ en con-textos particulares’’ (Duit, 1999, p. 270).

Hay diversas explicaciones de esas dificultadespara lograr un verdadero cambio conceptual, en

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cuyo detalle no podemos entrar aquí (véase Pozo,2002, 2003; Pozo y Gómez Crespo, 1998). Pero, ennuestra opinión, la razón principal por la que no seha logrado el abandono de esas teorías implícitas esque el aprendizaje de la ciencia, en forma de cambioconceptual, no requiere en realidad el abandono delas teorías implícitas o cotidianas en favor de unconocimiento más elaborado, sino, de acuerdo conun modelo de adquisición de conocimiento como unproceso de redescripción representacional, la intera-ción jerárquica de unos sistemas de representaciónen otros (Pozo, 2003; Pozo y Gómez Crespo, 2002a).Según esta idea, adquirir conocimiento no implicasustituir unas ideas por otras, sino multiplicar lasperspectivas o formas de ver el mundo, y finalmenteintegrar esas diversas perspectivas o niveles de aná-lisis de la realidad en una única teoría que redescribalas relaciones entre esos componentes en un nuevonivel. No basta ya por tanto con representar elmundo a través de las teorías, sino que hay querepresentar las propias teorías.

Por tanto, aprender ciencia requiere no sólo irmás allá de las representaciones encarnadas e implí-citas que nos proporciona el equipamiento cognitivode serie, sino redescribir esa experiencia del mundofísico en nuevos niveles representacionales que sóloserán posibles mediante la instrucción. El conoci-miento científico no puede sustituir a otras formas desaber, pero sí puede integrar jerárquicamente a algu-nas de ellas, redescribiendo (es decir, explicando) suspredicciones, su visión del mundo. Para ello hay quesuperar la idea de que esos conocimientos previosson concepciones erróneas ----o misconceptions----, el tér-mino más utilizado durante muchos años, y en sulugar intentar que ese conocimiento científico sirvapara dar sentido a las representaciones encarnadasque todos tenemos. La química puede redescribirciertos fenómenos de cocina ----véase por ejemplo,Córdova (1990)---- pero sería empobrecedor reducirla cocina a una actividad química.

Sin embargo, como hemos visto, nuestras inves-tigaciones han mostrado no sólo que los alumnos noabandonan sus representaciones implícitas o encar-nadas, sus concepciones macroscópicas de la mate-ria (como algo continuo y estático a no ser que unagente externo actúe sobre ella) sino incluso quecuando los alumnos intentan relacionar ambas for-mas de ver la materia (macroscópica y microscópica)tienden a explicar los fenómenos moleculares a partirde su experiencia macroscópica y no a la inversa,como sería deseable (por ejemplo, Pozo, Gómez

Crespo y Sanz, 1999). Por ello, nuestra meta deberíaser que los alumnos comprendieran que existendistintas formas de aproximarse a un fenómeno, quese pueden utilizar diferentes modelos alternativos enla interpretación y comprensión de los fenómenosde la naturaleza (pluralidad representacional), perotambién unos son capaces de explicar más cosas queotros (integración jerárquica). De esta manera, elmodelo corpuscular de la materia sería capaz de irmás allá de las explicaciones macroscópicas. Así,si macroscópicamente somos capaces de explicar ladifusión de un perfume en una habitación cerradadiciendo que los gases se mezclan y tienden a ocupartodo el volumen del recipiente, el modelo corpuscu-lar nos permite profundizar en el mecanismo decómo se produce esa mezcla. Por tanto, el objetivoque debemos perseguir es que los alumnos redescri-ban sus representaciones implícitas a partir de losmodelos microscópicos presentados durante la ins-trucción formal, y no al revés, distinguiendo lo que escapaz de explicar cada modelo y hasta qué puntoes útil y sin que ello en ningún caso suponga hacerlesrenunciar o abandonar su ‘‘sentido común’’.

¿Cómo podemos conseguir esto? No se tratasólo de que el profesor le diga al alumno lo queexplica una teoría y lo que explica otra. Si de verdadqueremos que haya una redescripción repre-sentacional, que el alumno comprenda la diferenciaentre las teorías o modelos que puede utilizar parainterpretar la estructura de la materia, es necesarioproporcionarle ocasiones para que maneje esas teo-rías y esos modelos, que tenga oportunidades de uti-lizarlos y compararlos para predecir y explicar fenó-menos, para resolver problemas, etcétera. Por todoello, creemos que el objetivo sería más fácil dealcanzar a partir de estrategias de enseñanza basadasen la utilización, por parte del alumno, de modelosalternativos que pueda manipular y contrastar, hacien-do explícita la diferencia entre ellos y fomentando ladistinción entre los diferentes niveles de explicación.

¿Cómo enseñar la teoría corpuscularde la materia?Dentro de esta estrategia de enseñanza basada en laexplicación y contrastación de modelos (Pozo y Gó-mez Crespo, 1998) estamos iniciando una investiga-ción sobre el aprendizaje de la teoría corpuscular dela materia mediante estrategias de instrucción basa-das en la comparación de modelos frente a las estra-tegias expositivas que se limitan a la descripción delas teorías científicas y a la realización de tareas

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de aplicación de esas teorías. Nuestra hipótesis esque los estudiantes que reciban una instrucción ba-sada no sólo en la diferenciación entre modelosmacroscópicos y modelos microscópicos, sino tam-bién en su integración jerárquica de ambos nivelesrepresentacionales, obtendrán mejores resultados enla comprensión de la teoría cinética de la materia, yestamos aplicando esa estrategia al aprendizaje de lateoría corpuscular de la materia. En esta línea hemoscomparado las diferencias de aprendizaje entre dosgrupos de estudiantes de 3° de Educación SecundariaObligatoria (14-15 años), el curso en el que se desa-rrollan en España estos contenidos.

El método de instrucción que vamos a describira continuación se ha puesto en práctica en el marcode una Unidad Didáctica, más amplia, dedicada ensu conjunto a la estructura de la materia, que se hadesarrollado en un periodo de entre cuatro y cincosemanas, de las que entre dos y tres (aproximada-mente 10 clases) se dedican al estudio de la teoríacinética corpuscular y su utilidad para interpretar laestructura de la materia y sus cambios. La instrucciónse ha realizado, por tanto, en grupos reales de aula,sin alterar la marcha del curso ni las condicionesmateriales de trabajo con esos grupos, introduciendolos distintos contenidos en el momento fijado por laprogramación del curso.

En una primera fase de la unidad didáctica sehan introducido las características de la materia, sudiversidad y algunas de sus propiedades. Los alum-nos han trabajado las diferencias entre los tres esta-dos de la materia y realizado actividades encamina-das a reconocerlas, así como reconocer y diferenciarpropiedades como masa, volumen y densidad. Enuna segunda fase, la que es objeto de nuestra inves-tigación, se presenta la teoría corpuscular como unmodelo interpretativo de la materia que nos ayuda aexplicar las propiedades y los cambios que experi-menta la materia. Fundamentalmente se basa en larealización de actividades encaminadas a que los alum-nos la apliquen a la resolución de tareas en las quedeben explicar el comportamiento de la materia,tanto en lo que se refiere a sus propiedades observa-bles (o macroscópicas) como a las no observables (omicroscópicas). Al exponer la teoría corpuscular dela materia (microscópica) se señalan claramente lasdiferencias con las explicaciones macroscópicas,las diferencias entre la realidad que nos presentanuestra percepción (macroscópica) y las explicacio-nes basadas en la teoría corpuscular (microscópica).Así, en todas las actividades realizadas se analizan

las diferencias entre la descripción macroscópica y laexplicación microscópica del problema, de formaque los alumnos utilicen las dos aproximaciones, lascontrasten y sean capaces de diferenciar los dosniveles de análisis, pero también, de acuerdo con lahipótesis de la integración jerárquica (Pozo, 2003;Pozo y Gómez Crespo, 1998, 2002b), de relacionarlosjerárquicamente o, si se prefiere, de redescribir rep-resentacionalmente, en términos de Karmiloff-Smith(1992), el nivel macroscópico (nuestra percepcióndel mundo) en términos de los modelos microscópi-cos (teoría corpuscular). Para ello se hace muchohincapié en que todos los alumnos participen activa-mente en la resolución de la tarea y en los debatesen los que se discuten y analizan sus propuestas. Laidea fundamental es que el alumno tenga suficientesoportunidades de utilizar ambos niveles de explica-ción, hacer predicciones y buscar explicaciones adistintos fenómenos mediante un conjunto de activi-dades graduadas y secuenciadas (muchas de las cua-les han sido adaptadas de propuestas recogidas en labibliografía, por ejemplo, Osborne y Freyberg, 1985o Driver, Guesne y Tiberghien, 1984), que permitentrabajar en primer lugar las ideas de movimiento yvacío, para posteriormente introducir el efecto de latemperatura en los mecanismos implicados en loscambios de la materia en los que se conserva elestado inicial y ampliarlos posteriormente a fenóme-nos en los que hay un cambio de estado.

La secuencia de instrucción seguida en el bloquede actividades dedicadas a estos contenidos se resu-me en los siguientes pasos:

1. Introducción del modelo Los alumnos previamente han realizado, como yase ha dicho, actividades dirigidas a describir e inter-pretar las propiedades observables, de modo que yahan explicitado algunas de sus creencias intuitivas yhayan visto algunas de sus limitaciones explicativas.

Presentación por parte del profesor de la teoríacinética, centrada en tres ideas fundamentales:

---- Partículas que no se pueden ver.---- Movimiento continuo de esas partículas.---- Entre las partículas no hay nada (vacío).

2. Primeras aplicaciones del modeloActividad 1. ¿Qué diferencias existen entre los tres estadosde la materia?Aplicación teórica del modelo a la explicación de lascaracterísticas de los tres estados de la materia. Se

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busca la relación entre el aspecto macroscópico y lainterpretación microscópica.---- El profesor retoma las diferencias entre las pro-

piedades de sólidos, líquidos y gases y la necesi-dad de buscar una explicación a sus diferentescomportamientos. Los alumnos proponen expli-caciones (generalmente macroscópicas).

---- El profesor conduce el debate hacia la utiliza-ción de las partículas en la interpretación de laapariencia macroscópica de la materia en sustres estados, es decir, de la forma propia de lossólidos, la fluidez de los líquidos y el hecho deque los gases tiendan a ocupar todo el volumendel recipiente. El profesor concluye mostrandola aplicación del modelo microscópico a los tresestados de la materia y resaltando aquellos as-pectos que sólo se pueden explicar medianteeste modelo.

Actividad 2. Interpretación de la difusión de un gas(Experiencia en el aula)Utilización de la teoría cinética en la interpretaciónde la difusión de los gases. El objetivo principal esintroducir un ejemplo relativamente sencillo para losalumnos al que puedan aplicar las ideas básicas delmodelo microscópico. Se elige un gas porque, segúnlas investigaciones realizadas, es el estado de lamateria en el que, por sus propiedades macroscópi-cas, anteriormente estudiadas, resulta más fácil deaceptar las ideas de movimiento y vacío.

El profesor plantea qué ocurrirá si deposita unasustancia con olor penetrante en una esquina del aula(por ejemplo, un perfume). Se pide una predicción alos alumnos y se realiza la experiencia. Se pide a losalumnos, en sus pupitres, que avisen cuando lesempiece a llegar el olor, para después pasar a anali-zar el problema. Previamente se cierran bien todaslas puertas y ventanas y se pide a los alumnos queestén quietos, para que el aire de la habitación puedaconsiderarse en reposo.

En la pizarra se hace (el profesor o un alumno)un esquema del aula que represente cómo se vadifundiendo el olor y a dónde llega antes. Se pide alos alumnos que traten de encontrar una explicacióna por qué se ha difundido el perfume por el aula.Sigue un debate con todo el grupo.

Generalmente, en esta primera experiencia casitodas las explicaciones obtenidas son de tipo macros-cópico y recurren a un agente externo (generalmen-te, el aire) como vehículo de transporte o causa delmovimiento. Por ello, el profesor debe resaltar la

idea de que el aire estaba en reposo para reconducirel debate.

Si no surge espontáneamente, el profesor debepedir que se trate de explicar qué relación tendríala teoría cinética con el fenómeno observado. Paratratar de centrar el problema se puede pedir queintenten ver la influencia de cada una de las tres ideasprincipales en el problema.

Tras la exposición de resultados el profesor plan-tea cómo han ido surgiendo los dos niveles de ex-plicación macroscópico y microscópico y ayuda aestablecer las diferencias entre ellos, insistiendo es-pecialmente en la diferencia entre el movimientointrínseco de las partículas (nivel microscópico) y elmovimiento causado por un agente externo (nivelmacroscópico).

A partir de este punto, el profesor plantea cómopueden darse siempre los dos niveles de análisis y cómoen las experiencias que se van a seguir realizando seva a intentar buscar siempre esos dos niveles.

3. Generalización del contraste de modelos a otrosfenómenosEn esta fase se plantean una serie de experiencias,tanto prácticas como teóricas, que los alumnos de-ben intentar interpretar. El profesor plantea las tareasy pide a los alumnos que elaboren por escrito los dostipos de explicación (macroscópica y microscópica),marcando sus diferencias y qué pueden explicar encada caso. Posteriormente se debaten en el aula lasdistintas interpretaciones, de forma que los alumnostraten de encontrar los fallos y contradicciones yllegar a un explicación más completa e integradora.Al final, el profesor recapitula y destaca las diferen-cias entre las explicaciones obtenidas.

Actividad 3. Compresión y expansión del aire en unajeringuilla (experiencia de aula). El profesor reparte jeringas a los alumnos y pide que,tapando el orificio de salida, traten de bajar o subirel émbolo. Da un tiempo para que jueguen y expe-rimenten con ellas.

Tras ello, plantea una serie de preguntas: ¿porqué se comprime el aire?, ¿por qué cuesta más bajarel émbolo cuanto más comprimido está?, ¿por quévuelve siempre a su posición inicial?, ¿qué diferen-cias hay con la expansión, cuando se tira del émbolohacia arriba?, ¿por qué encuentra dificultades parala expansión?, etcétera.

Los alumnos buscan explicaciones y debaten so-bre ellas. Normalmente, en el debate, ellos mismos son

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capaces de corregirse unos a otros y llegar a unaexplicación bastante correcta. En cualquier caso, elprofesor debe reconducir el debate hacia el objetivomarcado.

De la misma forma, una vez analizado el proble-ma se pide que traten de predecir qué ocurriría si lajeringa estuviera llena de agua o de arena y queexpliquen el por qué de su predicción.

Éste es el momento idóneo para introducir lasprimeras nociones de equilibrio en el sistema, tantomacroscópico como microscópico.

Las ideas principales que se trabajan con estatarea son: espacio vacío entre las partículas quecomponen el aire, imposibilidad de que haya másaire, movimiento de las partículas y distinta separa-ción entre partículas en sólidos, líquidos y gases y,en consecuencia, distintas fuerzas de cohesión de-pendiendo del estado de agregación.

Actividad 4. Disolución de una gota de tinta (experienciaen casa)Se pide que los alumnos, en sus casas, experimenteny observen durante un cierto tiempo lo que ocurreen un vaso de agua en el que se ha depositado unagota de tinta (u otra sustancia coloreada) y se hadejado totalmente en reposo durante un tiempolargo. Se pide también que traten de explicar por quétiene lugar el fenómeno observado.

Deben llevar a clase un informe de sus resulta-dos en el que aparezca la explicación de lo ocurrido.

El profesor organiza el debate, en primer lugar,en torno a los resultados obtenidos en el experi-mento. Estos resultados pueden ser aparentementedispares en función de las condiciones en que se harealizado. Debe orientarse el debate hacia la búsque-da de los elementos comunes, la disolución y disper-sión de la sustancia coloreada en el agua.

En segundo lugar, se intenta buscar una explica-ción al fenómeno. Normalmente, los propios alum-nos son capaces con un poco de tiempo de encontraruna explicación adecuada. El profesor debe tratar deorientar el análisis hacia la contrastación y diferen-ciación de los modelos propuestos.

Las ideas principales que se trabajan son: movi-miento de las partículas y necesidad de un espaciovacío. En este caso, es más difícil que con los gasesaceptar el modelo microscópico por parte de algunosalumnos y surgen ideas alternativas (por ejemplo, laspartículas de agua se tiñen con la tinta) que enrique-cen la discusión entre los alumnos y que el profesordebe tener en cuenta.

4. Introducción del efecto de la temperatura en elmovimiento de las partículasEn esta fase se introduce el efecto que el cambio detemperatura tiene sobre el movimiento de las partí-culas. Las actividades se trabajan en las mismascondiciones que en los casos anteriores.

Actividad 5. Dilatación del aire por acción del calor(experiencia de aula)El objetivo de esta actividad es hacer que el alumnose dé cuenta de que debe existir una relación entrela temperatura de un sistema y el comportamientode las partículas que lo componen.

Para comenzar, el profesor muestra un matrazcon un globo sujeto en su boca. Calienta el recipientey se observa cómo se va hinchando el globo.

El fenómeno resulta bastante sorprendentepara los alumnos. El profesor plantea la búsqueda deuna explicación y propone a los alumnos que tratende hacer un dibujo en el que representen lo queocurre.

Posteriormente se plantea el debate sobre lasexplicaciones propuestas, al igual que en los casosanteriores, dirigiéndolo hacia la necesidad buscaruna relación entre el efecto observado y el cambiode temperatura.

Puede también aprovecharse el hecho, deque mientras los alumnos trabajan el globo vuelvea deshincharse y plantear la necesidad de que laexplicación propuesta sea coherente para los dosfenómenos.

Se trata de una actividad muy rica en la quesuelen sacarse a la luz ideas alternativas muy resis-tentes al cambio: la dilatación de las partículas deaire y la acumulación de partículas de aire en la partesuperior del recipiente al aumentar la temperatura.Permite trabajar muy bien sobre las consecuenciasque tendrían los modelos propuestos por los alum-nos y que comprendan fácilmente sus limitaciones,incluso buscando experimentos alternativos (porejemplo, calentando boca abajo el matraz con elglobo). Generalmente, al igual que en las actividadesanteriores, los alumnos son capaces a través deldebate de ir delimitando poco a poco los modelosy de llegar a explicaciones correctas, aunque poste-riormente el profesor deba resumir y resaltar losaspectos más importantes.

5. Cambios de estadoSe trata de introducir los cambios de estado y losmecanismos implicados en el cambio, de forma que

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se vaya generalizando el modelo a casos cada vezmás complejos. Se analizan los cambios desde los dospuntos de vista, macroscópico y microscópico, cen-trándonos en cómo la teoría cinética nos pro-porciona una vía para proponer un mecanismo parael cambio.

Se plantea de forma teórica el ejemplo de uncubito de hielo que se deja encima de un plato y suevolución desde el estado sólido al estado vapor,pasando por el estado líquido. La actividad se plan-tea siguiendo la misma metodología descrita en loscasos anteriores.

6. Generalización a otros casosLa instrucción se completa analizando otros ejem-plos teóricos en los que entren en juego los distintosaspectos trabajados: Efecto del sol sobre un balón defutbol, funcionamiento de un termómetro, evapora-ción del agua, condensación del agua en una venta-na, sublimación de un ambientador casero, etcétera.

¿Qué aprenden los alumnos con estaenseñanza?En una investigación que estamos realizando (Gó-mez Crespo, 2003), hemos comparado los resultadosobtenidos a partir de este tipo de instrucción, basadaen la contrastación y diferenciación entre los mode-los macroscópico y microscópico, con los obtenidosa partir de una instrucción más clásica orientada a laexposición del modelo microscópico y la realizaciónde ejercicios de aplicación. Para ello, otro grupo dealumnos del mismo centro educativo ha seguido unproceso simultáneo, en el que se ha empleado apro-ximadamente el mismo tiempo de instrucción (conlas únicas diferencias debidas a las incidencias pro-pias del trabajo en el aula), con un mismo libro detexto. En este segundo grupo se expone la teoríacorpuscular de la misma manera que en el grupoexperimental, pero no se hace referencia a la dife-rencia con la descripción macroscópica del proble-ma. Se realizan las mismas actividades, pero sólo apartir de la explicación microscópica, sin establecerdiferencias con la macroscópica. Lógicamente, elfenómeno macroscópico está presente de forma im-plícita en todas las tareas, puesto que se trata deexplicar transformaciones observables de la materia,pero se explican sólo desde el punto de vista micros-cópico sin incidir en las diferencias entre las dosaproximaciones.

El estudio se ha llevado a cabo en tres fases(Gómez Crespo, 2003). En una primera fase se aplicó

a ambos grupos un cuestionario de evaluación (pre-test), dirigido a analizar cómo utilizan los estudiantesla teoría cinética. En la segunda fase se procedió alperiodo de instrucción, de la misma duración apro-ximadamente para los dos grupos, como ya se haindicado. En la tercera fase, se volvió a aplicar elmismo cuestionario (postest) a los dos grupos, unavez transcurridos aproximadamente tres meses des-de la primera aplicación y dos meses desde el final dela instrucción. El cuestionario utilizado va dirigidoa analizar cómo utilizan los estudiantes la teoríacinética en tres aspectos importantes: noción dediscontinuidad y vacío, movimiento intrínseco de laspartículas y mecanismo implicado en los cambios.Las respuestas se analizaron comparando los resul-tados de ambos grupos (experimental y de control)en el postest, descontando el efecto del nivel inicialde los alumnos (pretest), mediante un análisis decovarianza que nos ayudara a fijar las diferenciasdebidas al tipo de instrucción recibida.

Los resultados muestran que ambos tipos deinstrucción producen progreso y aprendizaje de losalumnos. En los dos casos aumenta significativamen-te el número de respuestas correctas después de lainstrucción. Sin embargo, hemos encontrado que elmétodo de enseñanza que se está investigando, ba-sado en la diferenciación y contrastación de mode-los, produce resultados significativamente mejoresen dos de los problemas estudiados: la noción dediscontinuidad de la materia y los mecanismos im-plicados en los cambios. Asimismo, en el terceraspecto estudiado, el movimiento intrínseco, pareceobservarse la misma tendencia aunque las diferen-cias que aparecen no llegan a ser estadísticamentesignificativas. En la figura 3 se muestran los resulta-dos obtenidos cuando se analiza la comprensión dela discontinuidad de la materia.

En relación con el aspecto con que se nos pre-senta la materia, los tres estados de agregación,también se observa un efecto significativo de lainfluencia del tipo de instrucción. Así, los alumnosque reciben la instrucción experimental aceptan másfácilmente la existencia de espacios vacíos entre laspartículas en los sólidos y en los líquidos, los conte-nidos en los que las investigaciones previas mostra-ban que era más difícil de aceptar. En el cuestionariosobre el mecanismo implicado en los cambios de lamateria también se observa un efecto significativo dela superioridad del tipo de instrucción aplicado algrupo experimental para los contenidos cambio deestado y dilatación, los contenidos en los que se

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produce un cambio físico en el que se mantiene lanaturaleza de la sustancia y en los que interviene unasola sustancia en el proceso. No hay diferenciassignificativas entre los dos grupos en el caso de lasdisoluciones ni las reacciones, contenidos en los queinvestigaciones anteriores habían mostrado que paralos alumnos resultaba más fácil aceptar la interacciónentre partículas, debido a la presencia de dos sustan-cias diferentes. El análisis cualitativo de las repre-sentaciones utilizadas por los estudiantes y su pro-gresión con el aprendizaje nos muestra cómo, engeneral, en el grupo que recibe una enseñanza basa-da en la diferenciación entre modelos explicativoshay un mayor porcentaje de sujetos, que en el grupode control, que evoluciona hacia la utilización de lateoría científica de una forma consistente.

Resumiendo, puede afirmarse, al menos a la luzde este estudio cuyos resultados estamos intentandoreplicar en el marco de un trabajo más amplio, quela instrucción experimental, dirigida a promover unadiferenciación e integración jerárquica de los mode-los macroscópico y microscópico de interpretaciónde las propiedades y cambios de la materia, produceuna mejora en el aprendizaje de los alumnos yconduce a una utilización más consistente de lateoría científica cuando se la compara con una ins-trucción más tradicional en la que se expone yse trabaja sólo con el modelo microscópico sin indu-cir un diálogo continuo, pero jerarquizado, entre esosdiferentes niveles de análisis de la materia.

Los resultados que hemos avanzado en este

trabajo son para nosotros muy esperanzadores, aun-que dejen algunas preguntas importantes en el airea los que estamos dirigiendo nuestras nuevas inves-tigaciones: ¿esta mejora será más duradera con eltiempo?, ¿se transferirá a otros contenidos diferentesen los que la comprensión de la teoría cinéticocorpuscular sea relevante en el aprendizaje?, ¿porqué en algunos contenidos parece que la instrucciónespecífica no tiene efecto? Pero en todo caso, esteestudio, aunque deba ser tomado con cautela, abrenuevas posibilidades de investigación no sólo en rela-ción con el cambio conceptual o representacionalsobre la naturaleza de la materia, sino en generalpara la comprensión de la química y para la educa-ción científica, cada vez más necesaria socialmente,ya que la alfabetización científica debe ser una exi-gencia básica si queremos convertir verdaderamentela sociedad de la información en sociedad del cono-cimiento (Pozo, 1996, 2003).

Como hemos intentado argumentar en otrasocasiones, la comprensión de los procesos de apren-dizaje y la mejora de las estrategias didácticas sondos aspectos indisolubles que se alimentan mutua-mente (Pozo y Gómez Crespo, 1998). Este diálogocontinuo ----¿esta mutua redescripción represen-tacional?---- entre la psicología del aprendizaje y laenseñanza de la ciencia es no sólo una seña deidentidad de nuestra propia biografía o trayectoriainvestigadora, sino, creemos, la vía más fértil paraavanzar tanto en nuestro conocimiento de los proce-sos psicológicos que intervienen en el aprendizajecomo en el diseño de estrategias instruccionales máseficaces para mejorar la educación científica. Esta-mos persuadidos de que sólo si comprendemoscómo aprenden los alumnos podemos mejorar laforma en que podemos enseñarles, pero tambiénque sólo si comprendemos la forma en que les en-señamos podemos llegar a entender las dificultadesde aprendizaje que viven. Y a juzgar por algunos delos resultados aquí presentados, es mucho aún lo quetenemos que estudiar y que cambiar en nuestrasaulas para lograr que la ciencia, y más específica-mente la química, formen parte del acervo culturalcomún en esta nueva sociedad del conocimiento.Muchos son los esfuerzos que debemos hacer-para mejorar la educación química no sólo entre losestudiantes de secundaria, sino, por lo que hemoscomprobado, también entre los alumnos universi-tarios, ya que, por si fuera poco, algunos de ellos seránquienes deban ayudar a otros a aprender ciencia o aeducarse químicamente en los años venideros. ?

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0,15

0,55

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pretest postest

0

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G. Exp. G. Cont.

Figura 3. Comparación entre los dos métodos de enseñanza con respecto a lacomprensión de la discontinuidad de la materia. Grupo experimental: enseñanzabasada en la diferenciación entre los modelos macroscópico y microscópico. Grupo decontrol: enseñanza basada en la aplicación directa del modelo microscópico.

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