Educación Química, 20(2)

SUSCRIPCIÓN ANUAL: NACIONAL: $270.00 M.N / INTERNACIONAL: $27 USD

ISSN 0187-893-X Segunda época Volumen 20 Número 2 Abril de 2009

editorial f Argumentación en una nueva asignatura: Ciencia y sociedad DE ANIVERSARIO: Argumentación en el salón de clase f O Espaço para a Argumentação no Ensino Superior de Química f Argumentation and Epistemic Criteria: Investigating Learners’ Reasons for Reasons f Cool Argument: Engineering Students’ Written Arguments about Thermodynamics in the Context of the Peltier Effect in Refrigeration f Argumentation in texts from a teacher education journal: An exercise of analysis based upon the Bakhtinian concepts of genre and social language f Competencias en el uso de pruebas en argumentación f Las estrategias argumentativas en la enseñanza y el aprendizaje de la química documentos f Hacia una pedagogía más social en la educación científica: el papel de la argumentación

Gracias a la DGAPA-UNAM PAPIME PE200406 Educación Química agradece a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la Universidad Nacional Autónoma de México el apoyo otorgado, que fue utilizado parcialmente para la construcción de esta nueva página para la venta electrónica de la revista, a través del Proyecto PAPIME PE200406, denominado ‘El vigésimo aniversario de la revista Educación Química’.

CONTENIDO

Revista de la Facultad de Química, Segunda época Vol. 20, núM. 2 abril de 2009

EDITORIAL 98 Argumentación en una nueva asignatura: Ciencia y sociedad Andoni Garritz doble vía

143 Las estrategias argumentativas en la enseñanza y el aprendizaje de la química María Eugenia De la Chaussée Acuña documentos 156 Hacia una pedagogía más social en la educación científica: el papel de la argumentación Jonathan Osborne para quitarle el polvo 166 Auguste Laurent. Radical and radicals Jaime Wisniak

102 Acerca de la estereoquímica del fullerano Ih-C180H180 Aarón Pérez Benítez de aniversario: argumentación en el salón de clase 104 O Espaço para a Argumentação no Ensino Superior de Química Salete Linhares Queiroz e Luciana Passos Sá 111 Argumentation and Epistemic Criteria: Investigating Learners’ Reasons for Reasons Richard Duschl and Kirsten Ellenbogen 119 Cool Argument: Engineering Students’ Written Arguments about Thermodynamics in the Context of the Peltier Effect in Refrigeration Sibel Erduran and Rosa Villamañán 126 Argumentation in texts from a teacher education journal: An exercise of analysis based upon the Bakhtinian concepts of genre and social language Isabel Martins 137 Competencias en el uso de pruebas en argumentación Beatriz Bravo, Blanca Puig y María Pilar Jiménez-Aleixandre

educación química para un futuro sostenible 176 Combustible hidrógeno para el ciclo Rankine Rafael Sánchez Dirzo y Rodolfo Silva Casarín didáctica de la química 182 La química computacional en el salón de clase Carlos Amador Bedolla y Carlos Octavio Olvera Bermúdez

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Parte izquierda del mural Presencia de América Latina, de Jorge González Camarena, realizado en 1965 en la Pinacoteca Casa del Arte de la Universidad de Concepción en Chile, con la colaboración de los muralistas mexicanos Manuel Guillén, Salvador Almaraz y Javier Arévalo, y los chilenos Albino Echeverría y Eugenio Brito.

Un gran cacto con dagas clavadas y sus raíces se enredan y entrelazan con esqueletos de hombre. Al centro, un monolito arquitectónico en donde se despliegan numerosas banderas de Latinoamérica, y hacia la izquierda se ven una mujer y el mapa de América; sobre ella un friso y un capitel griego. Al lado un gran rostro indígena acompañado de otros rostros en transparencia de diversos tamaños.

187 ¿Moléculas sin esqueleto?: La oportunidad perfecta para revisar el concepto de estructura molecular Mónica Cerro y Gabriel Merino 192 El constructivismo y la química analítica del profesor Gaston Charlot Margarita Rosa Gómez-Moliné, Alberto Rojas-Hernández y María Teresa Ramírez-Silva 198 Correlación entre mapas conceptuales y habilidad para la resolución de problemas en la unidad de Equilibrio Iónico en la asignatura de Química General Manuel Martínez M., Alejandra Espinoza F.

Educación Química (ISSN 0187-893X), año 20 núm. 2. Se edita trimestralmente en la Facultad de Química de la UNAM, Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, 04510, México, D.F. Certificado de Licitud de Contenido Nº 4088. Certificado de Licitud de Título Nº 5310, ambos con expediente Nº 1/432‘‘90’’/672 de la Secretaría de Gobernación. Número de Reserva 04-2002-060413390600-102 de la Secretaría de Gobernación. Registro del Servicio Postal Mexicano Nº 0790791, características 220461124. Tiraje 1,000 ejemplares. La revista se encuentra registrada y sus artículos aparecen indexados en el Chemical Abstracts, bajo el coden EUQUIM. Se autoriza la reproducción de los materiales citando la fuente (Título clave abreviado: Educ. quím.). Los artículos firmados son responsabilidad de su autor.

abril de 2009

Nuestra portada

SUSCRIPCIONES Envíe giro postal o cheque a nombre de la UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO a: Dr. Andoni Garritz Director de Educación Química Facultad de Química, UNAM Ciudad Universitaria, Apdo. Postal 70-197, 04510, México, DF. Tel. (55) 5622 3439, fax (55) 5622 3711 E-mail: educquim@servidor.unam.mx Suscripciones (2009)

Un año Dos años Nacional: $270 M.N. $450 M.N. América, Europa, África y Asia:

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editorial

Argumentación en una nueva asignatura: Ciencia y sociedad Andoni Garritz*

Abstract (Argumentation in a new course: Science and Society) We are approaching to the celebration of our 20th anniversary. This time the central topic of the anniversary section is “The argumentation in the chemistry classroom”, so we will introduce this topic by telling some of our own experiences in a new course denominated “Science and society”.

An essential element of learning and teaching in the 21st Century is a dialogic mode of interaction, which engages students in deliberative interaction about the nature of science and to construct a deeper and more meaningful understanding of it. This course has as objective that students understand the social and human dimension of scientific and technological activities, its scope and possible consequences. We offered a questionnaire with open and close questions to more than 60 students of the course and we received a surprising and favorable answer of about 80% of them.

Introducción sobre los veinte años Con este número de Educación Química nos aproximamos a la celebración del vigésimo aniversario de nuestra revista, el cual ocurrirá en el mes de julio de 2009, con la publicación del siguiente número. En julio de 1989 apareció nuestro número cero (ver la ilustración 1) el cual regalamos a los asistentes al IX Congreso Nacional de Educación Química, celebrado en Aguascalientes, Ags., en agosto de 1989.

Una reunión de júbilo para mí también, por haber recibido en ella de manos del Gobernador de la entidad, Miguel Ángel Barberena Vega, el Premio “Andrés Manuel del Río-1988” en su vertiente educativa, otorgado por la Sociedad Química de México (ver la ilustración 2).

La vida paga con premios, aunque después se cobra con tragedias, como me ocurrió al mes siguiente en que murió mi querida esposa Diana Cruz Valverde: una muerte injusta porque ella se fue a sus treinta y ocho años, en la flor de su vida y de su desarrollo académico. Que vaya una “Diana” por Diana, una autora de aquel número cero, y la acompaño de estos veinte años de trabajo creativo, en su honor (ver ilustración 3).

Ilustración 1. El número cero de la revista Educación Química, editado hace casi 20 años.

* Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, Avenida Universidad 3000.

04510 México, Distrito Federal, México.

Correo electrónico: andoni@unam.mx

98

editorial

Ilustración 2. El Director de Educación Química recibe el Premio de la SQM en agosto de 1989 (o lo que significan 20 años para uno).

La argumentación ¿es importante actualmente para la enseñanza?

En este número el tema de los artículos invitados es el de “La argumentación en el salón de clases”, por lo cual voy a tocar algunos aspectos del tópico en esta editorial.

En esta ocasión lo hago convencido de la bondad de una estrategia dialógica aplicada en el aula. Aclaro para los lectores no avezados en el tema que eso de “dialógica” se aplica a algo que se obtiene “a través del diálogo”, contra “monológica”, en donde “impera el monólogo”. Los autores invitados de este número, más el artículo traducido de la sección DOCUMENTOS, hacen hincapié en las bondades de las estrategias dialógicas. Por ejemplo Jonathan Osborne (2009) nos explica: “Uno de los problemas más grandes que padece la ciencia en la escuela es el de una pedagogía dominada por la metáfora de la enseñanza como «conducto». Ésta es la idea de que la comunicación es un proceso de una sola vía en el cual los profesores se ven a sí mismos como diseminadores didácticos del conocimiento… El conocimiento para los educación química •

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jóvenes de hoy en día se vuelve un objeto a ser adquirido cómo y cuándo es necesitado a través de la interacción social y dialógica más que mediante la recepción pasiva… lo que reside en el corazón de la sociedad contemporánea —el proceso de generación del conocimiento— coloca un énfasis en las habilidades del más alto orden de pensamiento: construir argumentos, hacer preguntas de investigación, hacer comparaciones, resolver problemas complejos no algorítmicos, lidiar con controversias, identificar asunciones ocultas, clasificar, y establecer relaciones causales. Cualquier experiencia educativa que no ofrezca alguna de estas características cognitivas, como el currículum de ciencia escolar, es tal vez, no sorprendentemente, de interés disminuido para muchos jóvenes contemporáneos.”

María Eugenia De la Chaussée Acuña (2009) es la profesora mexicana de la Universidad Iberoamericana-Puebla que aparece junto con otros cinco autores invitados en la sección DE ANIVERSARIO. Ella nos da nociones acerca de lo que es la argumentación: “Argumentar es una de las operaciones mentales del tercer nivel del método interior. Es una operación mental interna que puede o no ser manifestada exteriormente. Consiste en buscar y presentar datos y pruebas para fundamentar, demostrar y hacer creíble algo (conocimientos, problemas, resultados, hechos, fenómenos, contradicciones…). Los usos de la argumentación son diversos. Argumentamos para demostrar o debatir ofreciendo evidencias y razonamientos lo más completos y estructurados posibles para mostrar o convencer de algo.”

Salete Linares Queiroz (2009), profesora del Instituto de Química de São Carlos, Universidad de São Paulo, nos habla acerca de la importancia que ha adquirido la investigación sobre la argumentación, cuando nos dice: “Las investigaciones relacionadas con la práctica de la argumentación en la enseñanza de las ciencias han sido divulgadas ampliamente en los últimos años, dentro de las cuales destacan aquellas que investigan: la naturaleza de las actividades didácticas capaces de fomentar la instauración de un discurso argumentativo en ambientes de enseñanza; la calidad de los argumentos producidos por estudiantes matriculados en disciplinas científicas; mecanismos que puedan favorecer el perfeccionamiento de las habilidades argumentativas de los estudiantes; el espacio ocupado por la argumentación en las aulas y los laboratorios de enseñanza.”

Rosalind Driver nos alertó sobre la importancia de la argumentación en un artículo escrito junto con Paul Newton y Jonathan Osborne, que aparece año y medio después de su muerte (Newton, Driver y Osborne, 1999, p. 553; ver también Driver, Newton y Osborne, 2000): “Durante las últimas dos décadas ha tenido lugar un cambio en la manera en que es visto el aprendizaje, lejos de abril de 2009

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Ilustración 3. Diana Cruz Valverde labora en la línea de vacío de su laboratorio con su alumna, María Eugenia Colsá (a su izquierda). Ella hacía un trabajo maravilloso en esta línea, donde no se le resistía ninguna cristalización.

verlo como un proceso confinado a la mente individual, hacia reconocerlo más bien involucrar procesos sociales y culturales. La investigación tomada con una perspectiva antropológica pone de relieve la forma en la que el aprendizaje está enmarcado por los contextos sociales e institucionales y es ayudado por artefactos producidos culturalmente. Más aún, estudios desde una perspectiva socio-lingüística indican la forma en que el lenguaje juega un papel críticamente importante en el aprendizaje, ya que es a través del lenguaje que las herramientas culturales y los ‘modos de ver’ de una comunidad son puestos a disposición de los aprendices… Desde esta perspectiva socio-lingüística aprender dentro de una disciplina requiere adoptar las normas del lenguaje de esa disciplina. Para gente joven que aprende ciencia, esto requiere su participación a través de hablar y escribir, para que tengan sentido y piensen a través de los hechos científicos, los experimentos y las explicaciones a los que se les introduce.”

En la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México se aprobó desde el año 2005 la impartición de un curso en el primer semestre universitario con esa característica dialógica, llamado “Ciencia y Sociedad”. En él se tocan diversos aspectos socio-científicos que tiene que ver con la ética y otros aspectos filosóficos, y se insiste en su programa de estudios que la argumentación debe ser la estrategia a utilizar.

El objetivo general de la asignatura es preparar a los alumnos para que (Garritz, 2007): ——“Comprendan las dimensiones social y humana de las actividades científicas y tecnológicas, así como sus alcances y posibles consecuencias, es decir, que ——“Desarrollen una mejor comprensión, actitud y sensibilidad hacia los aspectos culturales, ya sea filosóficos, sociales, históricos, éticos o políticos, es decir, sobre las interacciones Ciencia-Tecnología-Sociedad, con énfasis especial en editorial

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el estudio de la química, con el fin de que se formen como ciudadanos capaces de tomar decisiones informadas y razonadas en una sociedad democrática, guiados por la argumentación, la comunicación, el pensamiento crítico y la independencia intelectual.

“Para alcanzar estos objetivos, los profesores se guiarán en la relación e interacción entre temas científicos y humanísticos, que tengan relación con la química, como son la sustentabilidad, el agua, la energía, y la biotecnología, es decir, en tópicos actuales con contenido químico que se presten al análisis, la reflexión y la discusión en torno a sus repercusiones éticas y sociales. Los profesores pondrán énfasis en las capacidades de expresión oral y escrita de sus alumnos.”

Algunos autores han argumentado que la faceta humanística de la ciencia —decisiones acerca de aspectos morales y éticos, la argumentación y la evidencia empleada para llegar a alguna decisión— son requisitos necesarios para el cultivo de ciudadanos científicamente letrados, involucrados en la hechura juiciosa de decisiones (Zeidler et al., 2003).

Experiencias en Ciencia y Sociedad Es interesante relatar brevemente mi experiencia como profesor de esta asignatura el semestre anterior (2009-1), junto con las maestras Yadira Palacios y María Kenia Zamora, así como incluir algunas de las opiniones de los estudiantes en relación con el curso. Los temas que tocamos fueron, con un mes aproximadamente para cada uno: 1) La corriente Ciencia-Tecnología-Sociedad; 2) Biotecnología: ¿maíz transgénico?; 3) Petróleo y calentamiento global; 4) Energía nuclear: ¿la sustituta? y energías renovables: ¿posibles pronto?. En esencia se montó un esquema dialógico en el salón, en el que los estudiantes se vieron forzados a “perder el miedo a hablar” y en el que se fomentó la escritura de ensayos sobre los temas.

La calificación final del curso estuvo dada por el número y la calidad de sus participaciones, la calificación de sus ensayos, por su asistencia y por la presentación de un cartel de investigación sobre concientización social. El propósito de este último proyecto fue llevar a la práctica la sensibilización social en torno a los impactos de la ciencia y la tecnología, haciendo un trabajo con la participación de personas ajenas al curso.

En relación con el primer tema se empezó a debatir, mediante la lectura de seis artículos en dos a tres semanas (Aikenhead, 2005 a y b; Edwards, Gil, Vilches, y Praia, 2004; Solbes, Vilches, y Gil, 2001; Vázquez, Acevedo, y Manassero, 2004 y 2005). Todos ellos son recuperables de la URL http:// garritz.com/andoni_garritz_ruiz/ y la pregunta a argumentar fue: ¿cuál es y cuál debe ser el objetivo de la educación científica? Desde esas primeras clases empezamos a “aplaudir” a los buenos argumentos y a criticar los limitados.

El segundo tema fue de mucho interés para los estudiantes, pues la profesora Yadira Palacios montó con ellos una esce­ nificación teatral en la que nueve grupos de estudiantes se plantearon el tema ‘¿Maíz transgénico en México?’ en tres sesiones completas de la clase. Los grupos fueron: la prensa;

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editorial

científicos a favor; en contra; campesinos a favor; en contra; Greenpeace; Comisión Intersecretarial de Bioseguridad de los Organismos Genéticamente Modificados (CIBiOGeM) y la FAO. Al final los estudiantes votaron mayoritariamente por negar la comercialización del maíz transgénico en el país.

El tercero y cuarto temas fueron también de interés para los alumnos, pues los aspectos energéticos van a ser su dolor de cabeza en cuanto empiecen a laborar como ingenieros o químicos. Se vio con pesar que la alternativa de quemar hidrocarburos implique el reinicio de la energía nuclear y que las energías renovables todavía no estén listas para tomar la estafeta, en esencia por motivos económicos y de concreción de metas en la investigación.

Pasamos un cuestionario corto, con 11 preguntas (cinco abiertas y seis cerradas) a alrededor de 60 de nuestros estudiantes al finalizar el curso y nos llevamos varias sorpresas con sus respuestas, algunas de las cuales comento a continuación.

Primera pregunta: ‘¿Qué tanto ha enriquecido el curso tu visión de la ciencia y los problemas actuales relacionados con ella?’

Alternativas

Frecuencia

Enormemente, tengo otra visión de la ciencia Mucho ha cambiado mi visión de la ciencia y su actividad Bastante, se ha transformado mi visión de la ciencia Poco, realmente ha tenido poco impacto sobre mí el curso Nada, inclusive ha tergiversado mi visión

Porcentaje

17

27.9

33

54.1

9

14.8

2

3.3

0

0.0

Increíble resultó que más de 80% de los estudiantes digan que su visión de la ciencia ha cambiado entre mucho y enormemente.

Segunda pregunta: ‘¿El curso te ha impulsado a analizar las implicaciones económicas, políticas, sociales y ambientales del desarrollo científico y tecnológico?’

Alternativas Sí Sólo parcialmente No

Frecuencia 46 13 0

Porcentaje 77.8 22.2 0.0

Se ratifica el casi 80% con la respuesta a la primera pregunta.

Cuarta pregunta: ‘Este curso ha sido:’ Alternativas Interesante, nunca pensé que podría ser de mi interés el argumentar en clase De interés intermedio, prefiero las asignaturas tradicionales De bajo interés Aburrido y tedioso, qué bueno que ya está por concluir

Frecuencia 46

Porcentaje 75.4

14

23.0

1 0

1.6 0.0

Las tres cuartas partes indican que “nunca pensé que podría ser de mi interés argumentar en clase” y 23% que “prefiero las asignaturas tradicionales”. Realmente interesantes estas respuestas. educación química •

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Finalmente, colocamos las respuestas de los porcentajes a la sexta pregunta: ‘Califica en orden de importancia del 1 al 5 los temas siguientes’: Tema/importancia Petróleo Energía nuclear Impacto ambiental Biotecnología y genómica Ética científica Responsabilidad del científico ante los ciudadanos

1 8.2 4.9 11.5 8.2 14.8 14.8

2 11.5 21.3 8.2 11.5 11.5 9.8

3 14.8 9.8 13.1 23.0 14.8 21.3

4 18.0 16.4 23.0 26.2 37.7 26.20

5 47.5 47.5 44.3 31.1 21.3 27.9

Vemos que casi la mitad de los estudiantes dan la máxima importancia a los tres primeros aspectos.

Concluimos esta editorial con el convencimiento de que la clase dialógica tiene mucho sentido para la formación de los estudiantes, no sólo porque les permite practicar su lenguaje y escritura, que ya es un magnífico beneficio, sino también porque los motiva a escoger sus mejores argumentos. Esta cuestión es muy importante no sólo para el avance de su concepción sobre la ciencia, mas para ordenar el estatus de sus ideas, no únicamente en relación con los contenidos, sino sobre su importancia para el desarrollo profesional.

Referencias Aikenhead, G., Educación Ciencia-Tecnología-Sociedad (CTS): una buena idea como quiera que se le llame, Educ. quím., 16(2), 304315, 2005a. Apareció originalmente publicado como Aikenhead, G.S., STS education: A rose by any other name, en: Cross, R. (ed.)

A vision for science education. Responding to the work of Peter Fensham (capítulo 5, pp. 59-75), London: RoutledgeFalmer, 2003.

Aikenhead, G., Research into STS Science Education, Educ. quím., 16(3), 384-397, 2005b.

De la Chaussée, M.E., Las estrategias argumentativas en la enseñanza y el aprendizaje de la química, Educ. quím., 20(2), 143-155, 2009.

DIRECTORIO CONSEJO DIRECTIVO Dr. Francisco Barnés de Castro Director Fundador Dr. Eduardo Bárzana García Facultad de Química, UNAM Dr. Guillermo Delgado Lama Sociedad Química de México Ing. Héctor Eduardo Ochoa López Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos Ramón Domínguez Betancourt Colegio Nacional de Ingenieros Químicos y Químicos QFI Carmen Margarita Rodríguez Cueva Asociación Farmacéutica Mexicana Dra. Tessy María López Goerne Academia Mexicana de Química Inorgánica Ing. Rafael Tapia Garibay Comité Permanente de Enseñanza de la Ingeniería Dra. Rosa Isabel Sierra Amor Asociación Mexicana de Bioquímica Clínica Jorge Javier Ramírez García Asociación Mexicana de Química Analítica

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Director Andoni Garritz Ruiz (andoni@servidor.unam.mx) Subdirectora Gisela Hernández Millán (ghm@servidor.unam.mx) Editor: Arturo Villegas (arturovr@gmail.com) Consejo Editorial Carlos Amador Bedolla Silvia Bello Garcés Adela Castillejos Salazar Carlos Mauricio Castro José Antonio Chamizo Laura Gasque Silva Carmen Giral Enrique González Vergara Hermilo Goñi Gisela Hernández Jorge G. Ibáñez Cornejo Glinda Irazoque Rafael Martínez Peniche Ana Martínez Vázquez María Teresa Merchand Hernández Adolfo Obaya Valdivia Laura Ortiz Aarón Pérez Benítez Clemente Reza Pilar Rius de la Pola Alberto Rojas

• educación química

Driver, R., Newton, P. y Osborne, J., Establishing the norms of scientific argumentation in classrooms, Science Education, 84(3), 287312, 2000.

Edwards, M., Gil, D., Vilches, A. y Praia, J., La atención a la situación del mundo en la educación científica, Enseñanza de las Ciencias, 22(1), 47-63, 2004.

Garritz, A., Análisis del conocimiento pedagógico del curso “Ciencia y Sociedad” a nivel universitario, Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 4(2), 226-246, 2007.

Newton, P., Driver, R. y Osborne, J., The place of argumentation in the pedagogy of school science, International Journal of Science Education, 21(5), 553–576, 1999.

Osborne, J., Hacia una pedagogía más social en la educación científica: el papel de la argumentación, Educ. quím., 20(2), 156-165, 2009.

Queiroz, S.L. y Sá, L.P., O Espaço para a Argumentação no Ensino Superior de Química, Educ. quím., 20(2), 104-110, 2009.

Solbes, J., Vilches, A. y Gil, D., Epílogo: El papel de las interacciones CTS en el futuro de la enseñanza de las ciencias, en: Pedro Membiela (ed.), Enseñanza de las Ciencias desde la perspectiva Ciencia-Tecnología-Sociedad (capítulo 15, pp. 221-231), Madrid: Narcea, 2001.

Vázquez-Alonso, A., Acevedo-Díaz, J.A. y Manassero-Mas, M.A., Consensos sobre la naturaleza de la ciencia: evidencias e implicaciones para su enseñanza, Revista Iberoamericana de Educación, De los lectores, 2004. Puede obtenerse también de la URL http:// www.rieoei.org/deloslectores/702Vazquez.PDF Vázquez-Alonso, A., Acevedo-Díaz, J.A. y Manassero-Mas, M.A., Más allá de la enseñanza de las ciencias para científicos: hacia una educación científica humanística, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, 4(2), 2005.

Zeidler, D., Osborne, J., Erduran, S., Simmons, M. y Monk, M., The role of argument during discourse about socioscientific issues, en: D.L. Zeidler (ed.), The Role of Moral Reasoning on Socioscientific Issues and Discourse in Science Education (chapter 5, pp. 97-116), Dodrecht, the Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003.

Yadira Rosas Plinio Sosa Fernández Consejo Editorial Internacional Marcela Arellano (Universidad Católica de Valparaíso, Chile) Marta Bulwik (Argentina) Luis Cortés (Universidad Central, Venezuela) José Claudio del Pino (Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil) Cecilia I. Díaz V. (Panamá) Manuel Fernández Núñez (Universidad de Cádiz, España) Gabriel A. Infante (Pontificia Universidad Católica de Puerto Rico) Mercè Izquierdo Aymerich (Universidad Autónoma de Barcelona, Catalunya) María Gabriela Lorenzo (Universidad de Buenos Aires, Argentina) Manuel Martínez Martínez (Universidad de Santiago, Chile) Santiago de Vicente Pérez (Universidad Nacional de Educación a Distancia, España) Mario Quintanilla Gatica (Pontificia Universidad Católica de Chile) Andrés Raviolo (Universidad Nacional del Comahue, Argentina) Teresa Reguero (Universidad Nacional de Colombia) Vicente Talanquer Artigas (University of Arizona, USA)

Jesús Vázquez-Abad (Université de Montréal, Canadá) Amparo Vilches (Universitat de València, España) Lourdes Zumalacárregui (Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”, Cuba) Edición electrónica Caligrafía Digital, SC / (55) 5606 5803 eduquim@prodigy.net.mx Asistentes coordinadores Gabriela Araujo, Filiberto Chávez Impresión Formación Gráfica, SA de CV Matamoros # 112, Col. Raúl Romero Tel. (55) 5797 6060 57630, Edo. de México.

Grupo de Apoyo a Educación Química Suscripciones benefactoras adquiridas José Luis Mateos Gómez (Fundador) Francisco Barnés de Castro Adela Castillejos Salazar José María García Sáiz/Dr. Gustavo Tavizón Alvarado/Kira Padilla/Zoila Nieto Villalobos/ Rodolfo Alvarez Manzo/Dr. Jesús Guzmán García/Ing. Eduardo Rojo y de Regil/ Q. Silvia Bello Garcés/María del Carmen Wacher Rodarte/Kira Padilla/ Eneko Belausteguigoitia/Antonio Valiente

editorial

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DOBLE VÍA Precisiones sobre la geometría de la molécula de la portada de enero 2008 Nuestro querido amigo Aarón Pérez Benítez nos entregó esta carta sobre la geometría de la molécula del fullerano IhC180H180 que apareció en nuestra portada del número de enero-marzo de 2008, gracias a la gentileza de la revista ChemPhysChem y del autor, el profesor Linnolahti. Además del análisis de la estereoquímica de esa molécula, Aarón nos proporciona una plantilla para modelarla, por lo que esta carta podría considerarse como artículo de la sección CÓMO SE MODELA. Gracias Aarón.

Acerca de la estereoquímica del fullerano Ih-C180H180 Estimado Andoni: En la portada de la revista número 1 (enero de 2008), volumen 19 de Educación Química apareció publicada la imagen de una molécula bellísima y aparentemente complicada de visualizar: el fullerano Ih-C180H180, el pariente totalmente hidrogenado del fullereno Ih-C180 (figura 1).

Con el fin de apoyar a nuestros lectores a conceptualizar la estructura del Ih-C180H180, hasta ahora sólo probablemente existente en el polvo interestelar, me permito hacer los siguientes comentarios: 1. Nótese que las terminaciones “ano” y “eno” indican que estas moléculas están totalmente hidrogenadas y deshidrogenadas, respectivamente, según las reglas de nomenclatura propuestas por la IUPAC (Moss, 2008).

2. El hecho de agregar un hidrógeno a cada uno de los carbonos del C180 para obtener el C180H180 implica un cambio en la geometría de estos carbonos (ahora muy cercana a la tetraédrica), pero eso no conlleva una pérdida de la simetría molecular icosaédrica, Ih, de acuerdo con los estudios teóricos reportados por Linnolahti y sus colaboradores (Linnolahti, 2006). Por lo tanto, su estereoquímica puede ser estudiada de la misma manera en la que se hizo para el Ih-C500 (Pérez-Benítez, 2000); es decir, con-

Figura 2. Sección triangular del fullerano Ih-C180H180 mostrando sus tipos de átomos de carbono (i) y de hidrógeno (ii), en relación 3a:3b:3c. En (iii) se presenta un modelo de bolas y varillas en el que se aprecia al ciclo de seis carbonos en conformación de silla.

102

doble vía

Figura 1. El fullereno C180 (izquierda) y el fullerano C180H180, dos bellísimas moléculas icosaédricas (tomada de Linnolahti, 2006).

siderando solamente una de las 20 secciones triangulares del icosaedro imaginario en el que pueden inscribirse este tipo de moléculas. Estas secciones triangulares se señalan con líneas punteadas en las figuras 2-4.

3. Desde un punto vista exterior a la molécula y perpen­ dicular al plano formado por los tres átomos de carbono marcados con la letra “a” de esa sección, se puede realizar un dibujo en proyección de cuña (figura 2i), en el que tres de los sustituyentes de cada Ca (los dos Cb’s y el Cc) se encuentran cercanos al observador y el cuarto sustituyente (Ha) se encuentra alejado del observador; es decir, hacia el exterior y el interior del plano del papel (figuras 2ii y 3). Así que en un cuarto plano, todavía más cercano al observador que el formado por los Cb’s y Cc’s, se encuentran los hidrógenos Hb y Hc (figura 2ii).

4. La equivalencia entre los carbonos de esa sección —y de ahí sus etiquetas— se determinó en función de su conectividad: los vértices “c” forman parte de un pentágono y dos hexágonos, es decir son vértices 5:6:6. A un enlace de distancia de ellos se encuentran los vértices “a” y a dos enlaces los “b”; por lo tanto, aunque ambos son 6:6:6, son diferentes entre sí.

5. La desigualdad que hay entre los carbonos determina automáticamente la desigualdad que hay entre los hidrógenos unidos a ellos, por lo que en la figura 2ii se etiquetan

(i) (ii) (iii)

educación química •

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Figura 3. Plantilla para la construcción de un modelo tridimensional del fullerano Ih-C180H180.

como Ha, Hb y Hc y en 2iii se modelan con esferas rojas, azules y blancas, respectivamente.

6. Para obtener esa disposición de los hidrógenos del hexágono central de dicha sección se requiere una conformación de silla con seis hidrógenos axiales: tres apuntando al observador (los azules) y tres alejándose de él (los rojos).

Los tres blancos pertenecen a los ciclos de cinco carbonos y también apuntan hacia el observador (figura 2iii).

7. Multiplicando los tres H’s interiores (Ha) y los seis exteriores (Hb y Hc) que hay en cada sección de la molécula, por las 20 caras que constituyen un icosaedro, se obtienen los 60 hidrógenos interiores y los 120 hidrógenos exteriores del C180H180 que se comentaron en la página 1 de la revista Educación Química mencionada. Sin embargo, ahora podemos puntualizar que la relación entre ellos es: 60Hb: 60Hb:60Hc. 8. La estereoquímica de esta molécula puede ser analizada objetivamente si se elabora un modelo molecular recortando la plantilla de la figura 3. Al eliminar las puntas y pegar las pestañas se forman pentágonos huecos a través de los cuales se pueden observar a los pentágonos alternados de los vértices opuestos. Este hecho permite ubicar en esos sitios a los 12 ejes impropios de rotación-reflexión de orden diez, S10, que caracterizan al grupo puntual Ih (Dresselhaus, 2007). El modelo terminado se presenta en la figura 4.

Aarón Pérez-Benítez Facultad de Ciencias Químicas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. 14 sur y av. San Claudio, colonia San Manuel, 72570 Puebla, Pue. Correo electrónico: aronper@siu.buap.mx

Referencias Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Jorio, A., Group theory: Application to the physics of condensed matter (p. 485), Berlin: Springer-Verlag, 2007.

Linnolahti, M., Karttunen, A.J., Pakkanen, T.A., ChemPhysChem., 7(8), 1661–1663, 2006.

Moss, G.P., Powell, W.H., Nomenclature for the C60-Ih and C70-D5h(6) Fullerenes (IUPAC Recommendations 2002), consultada por última vez el 23 de diciembre de 2008, de la URL http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/fullerene/ Pérez-Benítez, A. y Santiesteban, F., Acerca de la estereoquímica del fullereno gigante Ih-C500: Un modelo tridimensional y cálculo de las líneas de su espectro de RMN13C, Educ. quím., 11(2), 284, 2000.

Figura 4. Modelo tridimensional del fullerano Ih-C180H180.

abril de 2009

9. Este estudio no tendría mucho sentido sino es porque se puede predecir el aspecto que tendrían los espectros de resonancia magnética nuclear de 13C y 1H. Dado que la relación de carbonos es 1:1:1, el espectro de RMN13C presentaría tres señales de igual intensidad, muy probablemente con desplazamiento químico Cc>Cb>Ca. Del mismo modo, el espectro de RMN1H presentarían tres multipletes con integrales 1:1:1 y desplazamiento químico Hc>Hb>Ha, pues los Ha se encuentran muy protegidos al estar dentro de la molécula y, por lo tanto, requerirían mayor intensidad del campo magnético aplicado para resonar. En contraste, los Hc están geométricamente más expuestos en los vértices del icosaedro que los Hb en las caras y requerirían menor intensidad del campo aplicado.

Dejo como ejercicio para los estudiantes de una clase de espectroscopía de RMN la determinación de la multiplicidad de las señales de los espectros mencionados.

• educación química

doble vía

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de aniversario: “argumentación en el salón de clase”

O Espaço para a Argumentação no Ensino Superior de Química Salete Linhares Queiroz1 e Luciana Passos Sá2

Abstract (The place of argumentation in undergraduate chemistry teaching) The purpose of this paper is to investigate to what extent argumentation activities are used in undergraduate chemistry teaching. Thirty five undergraduate chemistry lessons in a chemistry university course were systematically observed to conduct a pilot study. An observation schedule was used to record student’s activities and students-professor interactions. The findings indicated that in the majority of the classes it was the professor who did the talking and structured the arguments. The laboratory classes were organized in such a way that the students focused mainly on procedural aspects of the practical work. In order to understand the lack of argumentation activities in university chemistry classroom, the ten professors who taught the observed lessons were interviewed. The interviews indicated that there is a general lack of pedagogical expertise among professors in organizing activities in which students are given a voice.

keywords: argumentation, undergraduate education, chemistry En este número especial, la sección DE ANIVERSARIO toma un tema novedoso de la enseñanza. Aunque haya profesores que lo hayan cultivado desde hace décadas, está de moda en las revistas de investigación educativa de las ciencias el publicar artículos con este contenido. En estas seis contribuciones provenientes de Brasil (ésta de Salete Linhares Queiroz y la de Isabel Martins); una británica (de Sibel Erduran y Rosa Villamanan); una de España (la de Marilar Jiménez-Aleixandre, Blanca Puig y Beatriz Bravo); de Estados Unidos (de Richard Duschl y Greg Kelly), y de México (de María Eugenia De la Chaussée Acuña), se argumenta que los modos dialógicos de interacción serán un elemento esencial de la enseñanza y el aprendizaje en el siglo XXI y que los profesores tenemos que estar preparados para fomentarlos en el aula. El diálogo y la argumentación proporcionan a los estudiantes la oportunidad de involucrarse en una interacción deliberativa acerca de las ideas de la ciencia y a construir una comprensión más profunda y significativa de lo que la ciencia ofrece. Hemos añadido la traducción de un artículo de Jonathan Osborne ya publicado en la Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, en nuestra sección DOCUMENTOS, además de la editorial de este número, que también trata de este mismo tema.

Professora do Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP, Brasil.

Correo electrónico: salete@iqsc.usp.br 2 Doutoranda da Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil, e Professora do Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, BA, Brasil.

Correo electrónico: lucianapsa@gmail.com 1

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de aniversario

Resumen Este trabajo tiene como objetivo investigar la extensión en la que tienen lugar actividades que fomentan la práctica de la argumentación en la enseñanza superior de la química. A partir de un sistema de clasificación, fueron observadas y registradas las actividades de los estudiantes en su interacción con los profesores en treinta y cinco aulas. Los resultados indican que en la mayoría de las aulas el discurso está predominantemente centrado en el profesor, que es el principal responsable de la elaboración de argumentos. Los trabajos en los laboratorios fueron organizados para valorar principalmente los aspectos procedimentales del trabajo práctico. Los diez profesores involucrados en las aulas observadas fueron entrevistados para comprender la ausencia de actividades favorables a la práctica de la argumentación en aulas y laboratorios de enseñanza de la química en el nivel superior. Las entrevistas indicaron algunas limitaciones pedagógicas de los docentes para organizar actividades que favorecieran la expresión oral de los alumnos.

Introdução Pesquisas relacionadas à prática da argumentação no ensino de ciências têm sido amplamente divulgadas nos últimos anos, dentre as quais se destacam aquelas que investigam: a natureza de atividades didáticas capazes de fomentar a instauração do discurso argumentativo em ambientes de ensino (Duschl e Osborne, 2002; Osborne, Erduran e Simon, 2004); a qualidade dos argumentos produzidos por estudantes matriculados em disciplinas de ciências (Villani e Nascimento, 2003; Sá e Queiroz, 2007; Naylor, Keogh e Downing, 2007); mecanismos que possam favorecer o aperfeiçoamento das habilidades argumentativas dos estudantes (Zohar e Nemet, 2002; Simon, Erduran e Osborne, 2006); o espaço ocupado pela argumeneducación química •

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tação em salas de aula e laboratórios de ensino (Newton, Driver e Osborne, 1999).

No presente trabalho, nos juntamos ao rol de pesquisadores interessados em investigar o espaço ocupado pela argumentação em ambientes de ensino de ciências, mais especificamente em salas de aula e laboratórios didáticos no ensino superior de química. Para tanto, aulas ministradas em disciplinas de um curso de Bacharelado em Química de uma universidade pública brasileira foram sistematicamente observadas a partir da utilização de um esquema de classificação proposto por Newton, Driver e Osborne (1999). O esquema, descrito no tópico a seguir, serviu de subsídio para o registro das atividades dos estudantes e das interações dos mesmos com os professores durante as aulas observadas. Os dez professores que ministraram as aulas foram também entrevistados, tendo em vista a compreensão da extensão em que atividades que fomentam a prática da argumentação são usadas no referido nível de ensino.

Tabela 1. Distribuição das disciplinas por semestres do curso e o número de aulas observadas em cada uma delas.

Percurso Metodológico

três sessões (Figura 1). A primeira, Forma de Trabalho dos Alunos (FTA), diz respeito às formas como as aulas são conduzidas, ou seja, como os estudantes são agrupados durante as atividades. A segunda, Atividade dos Alunos (AA), fornece informações relacionadas às diferentes atividades nas quais os alunos são engajados. E a terceira, Interação Professor-Aluno (IPA), mostra a natureza das interações que ocorrem entre professor e aluno (se ocorrem) durante as aulas. A descrição detalhada de cada uma das atividades ou interações apresentadas no esquema encontra-se no Anexo I. O preenchimento do esquema consiste em marcar o tipo de FTA, AA e IPA que predomina em cada intervalo de trinta segundos. Vale destacar que, quando todos os alunos estão engajados numa mesma atividade, não há equívocos quanto à classificação em um determinado intervalo de tempo. Porém, existem situações em que os estudantes não estão envolvidos em uma mesma atividade, o que gera dificuldades na marcação do esquema. Para evitar problemas, e a exemplo do que foi realizado por Newton, Driver e Osborne (1999), selecionamos em cada sala, aleatoriamente, um aluno representativo, e marcamos somente as atividades desse aluno. Assim, assumimos que as atividades do aluno representativo seja uma representação satisfatória da classe como um todo. No caso da IPA, esta nem sempre ocorre em cada trinta segundos e somente é marcada se observada num período substancial de trinta segundos. Em situações de atividades em pequenos grupos ou individuais, em que o professor normalmente circula pela sala de aula, atenção especial é dada à interação que ocorre entre o professor e o aluno representativo.

A coleta de dados para a realização do trabalho se deu a partir da observação sistemática de aulas ministradas em um curso de Bacharelado em Química de uma universidade pública brasileira e de entrevistas realizadas com os professores responsáveis pelo seu oferecimento e organização. Nas entrevistas o seguinte questionamento foi apresentado a cada um dos professores: a partir da observação de diferentes aulas, ministradas por diferentes professores do ensino superior de química, verificamos a pouca ocorrência de discussões, que oferecessem ao aluno a oportunidade de argumentar, discutir e expor suas idéias.

Em sua opinião, quais as razões pelas quais discussões dessa natureza e atividades que promovam a argumentação, não ocorrem com freqüência em aulas de química no ensino superior? As entrevistas foram gravadas e transcritas integralmente. As razões mais enfatizadas pelos docentes foram classificadas em categorias principais e são discutidas no tópico Resultados e Discussão, a seguir.

No que diz respeito à observação, trinta e cinco aulas, ministradas em dez disciplinas, distribuídas entre o primeiro e o sexto semestre do curso foram observadas. Dentre as disciplinas, sete eram de caráter teórico e três de caráter experimental. As disciplinas de caráter teórico, por sua vez, abarcavam tanto disciplinas específicas de conteúdos de química quanto disciplinas que tratavam de questões relacionadas à comunicação científica e à estatística. A Tabela 1 apresenta a distribuição das disciplinas observadas, nos respectivos semestres em que são oferecidas, e a quantidade de aulas observadas em cada uma delas. A duração média de observação de cada uma das aulas foi de oitenta minutos. Cabe destacar que os nomes atribuídos às disciplinas são fictícios, embora reflitam os conteúdos nelas ministrados.

Conforme mencionamos anteriormente, as aulas foram observadas a partir da utilização do esquema de classificação de procedimentos adotados em ambientes de ensino, proposto por Newton, Driver e Osborne (1999), que é dividido em abril de 2009

• educación química

Semestre do curso 1º 2º

4º 5º 6º

1º 4º 6º

Disciplinas de Caráter Teórico Fundamentos de Química Comunicação Científica Estatística Aplicada à Química Química Orgânica B Físico-Química B Química Inorgânica B Química Orgânica C Disciplinas de Caráter Experimental Química Geral Laboratório de Química Orgânica A Análise Instrumental

Nº de aulas observadas 5 4 3 3 3 4 3

4 4 2

Resultados e Discussão Observação das Aulas As observações realizadas nas disciplinas indicam que a aula expositiva ainda é predominante em situações de ensinoaprendizagem de química no ensino superior. De fato, a anáde aniversario

105

Figura 1. Esquema de classificação utilizado na observação das aulas, onde FTA = Forma de Trabalho dos Alunos, AA = Atividade dos Alunos e IPA = Interação Professor-Aluno. Os números indicam o tempo, em minutos, dedicado às diferentes atividades e formas de interação e cada quadro corresponde a um intervalo de trinta segundos (adaptado de Newton, Driver e Osborne, 1999).

2 FTA

AA

4

6

8

10

Atividade com a classe inteira Atividade em pequenos grupos Atividade individual Outra Ouvindo uma explicação Lendo Realizando exercícios Fazendo anotações Realizando atividade aberta com papel e lápis

IPA

Observando uma demonstração Realizando trabalho prático direcionado Realizando trabalho prático livre Preparando ou organizando o ambiente Discutindo formalmente com o grupo Outra Professor dando instruções Professor explanando idéias científicas Perguntando e respondendo Realizando atividades deliberativas Aluno elaborando questões Outra

lise dos resultados, decorrentes da categoria FTA do esquema, mostra que dentre as sete disciplinas de caráter teórico observadas, seis apresentam aulas nas quais a única forma de trabalho dos alunos é a atividade direcionada para a turma inteira, em formato de aulas expositivas. Apenas a disciplina Comunicação Científica apresentou aulas nas quais um percentual de 33,65% do tempo foi dedicado a atividades direcionadas à classe inteira, também caracterizada no formato de aula expositiva, e 66,35% a atividades em pequenos grupos. Essa disciplina se diferencia das demais também no que diz respeito aos seus objetivos, pois visa o desenvolvimento de habilidades de comunicação oral e escrita dos estudantes e não a aprendizagem de conteúdos de química. Cabe ainda destacar que disciplinas dessa natureza não são usuais em cursos de graduação em química no Brasil (Oliveira e Queiroz, 2007; Oliveira e Queiroz, 2008).

A análise dos resultados decorrentes da categoria FTA do esquema, para as três disciplinas de caráter experimental, mostrou um elevado percentual de tempo destinado a atividades realizadas em pequenos grupos: Análise Instrumental (84,4%); Laboratório de Química Orgânica A (94,2%); Química Geral (99,4%). O restante do tempo foi destinado a atividades direcionadas para a sala como um todo. Isso se deve ao fato dos alunos trabalharem em duplas, em grande parte das aulas práticas oferecidas pela universidade em questão.

Trabalhos reportados na literatura sugerem que as atividades em pequenos grupos favorecem a ocorrência de discussões e o desenvolvimento de habilidades argumentativas

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de aniversario

(Castro e Jiménez Aleixandre, 2000). Infelizmente, embora tenhamos observado que em tais aulas a forma de trabalho dos alunos era principalmente em grupo, a análise dos resultados decorrentes da categoria AA do esquema (Figura 2) indica que as atividades desenvolvidas estavam relacionadas principalmente às do tipo realizando trabalho prático direcionado, em que os alunos faziam os experimentos seguindo uma metodologia preestabelecida em roteiros fornecidos pelo professor. A não ocorrência de atividades do tipo discutindo formalmente com o grupo é preocupante, uma vez que a partir da sua realização a argumentação pode encontrar lugar em ambientes de ensino. As demais atividades realizadas pelos alunos nas aulas práticas, preparando ou organizando o ambiente, ouvindo uma explicação e observando uma demonstração, também não são favoráveis à instauração de práticas argumentativas.

A Figura 3 ilustra os tipos de atividades dos alunos nas aulas de caráter teórico. Verificamos a predominância de atividades do tipo ouvindo uma explicação e fazendo anotações nas aulas de todas as disciplinas observadas, com exceção da disciplina Comunicação Científica. Em atividades do primeiro tipo o professor explicava oralmente um determinado tópico, utilizando o quadro, retroprojetor ou projetor data-show, enquanto que na do segundo tipo os alunos passivamente registravam informações apresentadas por meio da fala do professor ou expostas no quadro negro, slides ou transparências.

Quando os alunos faziam anotações sobre alguma informação oferecida pelo professor, assinalávamos no esquema a descrieducación química •

abril de 2009

ção fazendo anotações ao invés de ouvindo uma explicação.

Na disciplina Comunicação Científica predominaram atividades do tipo realizando atividade aberta com papel e lápis, nas quais os estudantes estavam envolvidos em algum trabalho criativo ou reflexivo que não requeria respostas simples, concisas e estruturadas. Também observamos nas aulas dessa disciplina a ocorrência de atividades do tipo preparando ou organizando o ambiente e discutindo formalmente com o grupo. A primeira foi registrada em situações em que os alunos estavam se preparando para iniciar ou finalizar uma atividade proposta pelo professor da disciplina. A segunda foi registrada a partir de situações em que pequenos grupos foram formados com o intuito de discutir a respeito de questões relacionadas ao conteúdo trabalhado na disciplina.

Com base nos dados obtidos verificamos a grande preocupação da maioria dos professores com a transmissão de conteúdos científicos durante as aulas teóricas, em detrimento do ofere­ cimento de atividades favoráveis à elaboração de argumentos por parte dos alunos. Atividades do tipo realizando trabalho prático livre e discutindo formalmente com o grupo, favoráveis ao aprimoramento da capacidade argumentativa dos alunos, ocorreram de forma pontual, em uma única disciplina. Tal constatação não encontra respaldo em recomendações feitas por educadores que enfatizam que o ensino de ciências não deve favorecer apenas a aprendizagem de conteúdos científicos, mas deve também estimular a capacidade de raciocinar e argumentar a respeito de questões e problemas científicos (Kuhn, 1993; Duschl, 1998).

A Figura 4 ilustra a porcentagem de tempo de ocorrência das interações professor-aluno (IPA) nas situações de ensino observadas. Nas aulas teóricas mais de 80% do tempo foi dedicado à interação do tipo professor explanando idéias científicas, seguida da interação do tipo professor dando instruções, em uma proporção consideravelmente menor. Esta última se refere aos momentos nos quais os alunos são instruídos sobre o que devem fazer em seguida ou nas próximas aulas. Outros tipos de interação não ocorreram em freqüência significativa.

A disciplina Comunicação Científica é a única que diverge de tal padrão devido ao fato da maioria das atividades nela desenvolvidas ocorrerem em pequenos grupos. Situações, portanto, em que o professor circula pela sala de aula e são realizados registros no esquema de classificação somente das interações ocorridas entre o profesabril de 2009

• educación química

Figura 2. Tipos de atividades dos alunos (AA) ocorridas nas aulas experimentais observadas.

Figura 3. Tipos de atividades dos alunos (AA) ocorridas nas aulas teóricas observadas.

Figura 4. Interações professor-aluno (IPA) ocorridas nas aulas teóricas observadas. de aniversario

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sor e o aluno representativo, o que justifica a elevada porcentagem da categoria nenhuma interação, ilustrada na Figura 4.

No que diz respeito às aulas experimentais, se repetiu a mesma situação mencionada para a disciplina de Comunicação Científica, uma vez que os alunos também trabalhavam em grupo. Ou seja, durante a maior parte do tempo não foi registrado nenhum tipo de interação entre o professor e o aluno representativo. O tipo de interação mais observado foi a do tipo professor dando instruções. As demais não ocorreram em uma freqüência significativa. Interações do tipo perguntando e respondendo, que envolve uma pergunta elaborada pelo professor, seguida da resposta do aluno e da avaliação do professor, não foram registradas durante o período de observação das aulas. O mesmo se verificou para as interações do tipo realizando atividades deliberativas, nas quais o professor e aluno são envolvidos em uma discussão mais prolongada sobre uma determinada questão.

De um modo geral, a análise da forma de trabalho dos alunos (FTA), das atividades dos alunos (AA) e das interações professor-aluno (IPA) indica que as práticas de ensino comumente usadas pelos professores no ensino superior de química, não oferecem espaço para que a argumentação ocorra. A pouca incidência ou a ausência total de atividades que promovam o desenvolvimento de habilidades argumentativas são evidenciadas neste estudo e também o foram no trabalho de Newton, Driver e Osborne (1999), no qual é realizada uma análise semelhante com alunos do ensino básico na Inglaterra.

Entrevistas com os Professores Responsáveis pelas Aulas Observadas Conforme mencionamos anteriormente, com o intuito de buscarmos razões para a pouca ocorrência de atividades estimuladoras da argumentação no ensino superior de química, realizamos entrevistas com os dez professores responsáveis pelas disciplinas cujas aulas foram observadas. As razões mais enfatizadas pelos professores entrevistados frente ao questionamento que lhes foi apresentado foram classificadas em quatro categorias principais, discutidas a seguir.

• Limitações na formação de professores do ensino superior: um aspecto observado a partir da análise das entrevistas diz respeito ao fato de alguns professores estarem conscientes de sua pouca habilidade na condução de aulas diferenciadas do modelo da aula expositiva. Alguns atribuem essa dificuldade a uma formação acadêmica deficiente, conforme indica o excerto “Olha, eu acho que isso ocorre por vários motivos, em primeiro lugar pela falta de preparo do professor, porque a gente não tem formação pra ser um professor, a gente é formado pra ser pesquisador, então a gente não sabe muito como fazer isso”.

De fato, no Brasil a formação pedagógica dos professores que atuam no ensino superior de química tem sido objeto de crítica e de estudos que mostram a necessidade de superação de

108

de aniversario

um paradigma de reprodução e repetição, tanto da prática dos profissionais professores como dos processos de formação dos mesmos (Maldaner, 1999; Zanon, Oliveira e Queiroz, 2007).

• Pressões externas impostas pelo currículo: outro ponto ressaltado pelos professores diz respeito ao excesso de disciplinas nos cursos de graduação e ao pouco tempo que os estudantes dispõem para praticar o raciocínio e a reflexão, conforme indicam os excertos: “Devido à falta de tempo, que todos têm, tanto os alunos como professores. Os alunos acabam tendo que estudar um monte de matéria ao mesmo tempo. Sobra pouco tempo para eles estudarem só o conteúdo da matéria que eles estão fazendo, quanto mais informações adicionais. E também dos professores poderem se dedicar mais a preparação da aula, a busca de materiais adicionais (…)”. “É muita disciplina, é um curso muito carregado, o aluno não tem tempo de reflexão e isso acaba gerando essa falta de discussão também, porque o aluno não se prepara para assistir a aula”.

Considerações presentes nas Diretrizes Curriculares Nacionais para os Cursos de Química (Zucco, Pessine e Andrade, 1999) vão ao encontro das colocações feitas pelos professores nas entrevistas. Nas Diretrizes é consensual a seguinte idéia: “os currículos vigentes estão transbordando de conteúdos informativos em flagrante prejuízo dos formativos, fazendo com que o estudante saia dos cursos de graduação com “conhecimentos” já desatualizados e não suficientes para uma ação interativa e responsável na sociedade, seja como profissional, seja como cidadão”.

• Má formação do aluno no ensino básico: os professores também chamam atenção para o fato dos alunos chegaram despreparados na universidade, por conta de uma formação deficiente no ensino básico, conforme indicam os excertos: “Um dos problemas é que o nosso aluno vem muito mal do segundo grau. Ele vem treinado até mesmo pelo fator vestibular. Ele passa o terceiro ano, seja o quarto ano fazendo cursinho, ele tem que decorar, tem que enfrentar o vestibular (…)”.

“Isso primeiramente pelo treinamento que eles recebem. Os alunos do primeiro ano vêm com vícios do cursinho ou então desse pseudo colegial, que se transformou num curso preparatório para o vestibular. E aí eles não discutem, eles simplesmente aceitam as informações (…)”.

Nesse sentido, resultados obtidos em avaliações mundiais para o ensino básico, como a do Programa Internacional de Avaliação de Alunos (PISA), corroboram a colocação dos docentes, uma vez que o Brasil aparece em posições não satisfatórias, quando comparado a outros países, indicando a existência de sérias deficiências no seu sistema educativo. O PISA, realizado a cada três anos, desde 2000, pela Organização para educación química •

abril de 2009

Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE), é considerado um dos sinalizadores das tendências no cenário da educação.

• Falta de interesse por parte dos alunos: o pouco comprometimento por parte dos alunos com as disciplinas também é destacado pelos docentes como agravante para a ausência da argumentação nas aulas. Acreditam que a falta de curiosidade dos alunos com relação aos tópicos ministrados funciona como impedimento para que a discussão encontre espaço nos ambientes de ensino, conforme indicam os excertos: “Eu acho que falta também mais interesse por parte dos alunos para estudar a matéria da disciplina que ele está cursando e também buscar informações adicionais. Se o aluno tem esse tipo de preocupação, inevitavelmente, ele vai trazer muito mais discussões para a sala de aula e vão surgir mais dúvidas”. “ A razão principal é a pouca leitura, a pouca curiosidade dos alunos e obviamente porque eles não têm nenhum tipo de interesse pela disciplina (…) fazem com uma certa obrigação e não como uma opção deles”.

Considerações Finais A análise realizada indica que as práticas de ensino comumente usadas pelos professores não oferecem espaço para que a argumentação ocorra em ambientes de ensino-aprendizagem de química no nível superior. Os obstáculos apontados pelos professores na instauração de práticas argumentativas corroboram a necessidade de que os formadores de professores e estudiosos da linguagem desenvolvam pesquisas que subsidiem ações capazes de promover mudanças nessa realidade. No Brasil, nessa perspectiva, estudos sobre a argumentação no ensino de ciências (Villani e Nascimento, 2003; Capecchi e Carvalho, 2000; Queiroz e Sá, 2005), assim como sobre a formação de professores no ensino superior de química (Zanon, Oliveira e Queiroz, 2007; Arroio, Rodrigues Filho e Silva, 2006), vêm sendo desenvolvidos nos últimos anos.

Agradecimentos As autoras agradecem ao CNPq (Processo nº 306077/20060) e à FAPESP (Processo nº 05/54035-3) pelo suporte financeiro e aos docentes e alunos que contribuíram para a realização do trabalho aqui apresentado.

Referências Arroio, A., Rodrigues Filho, U.P. e Silva, A.B.F., A formação do pós-graduando em química para a docência em nível superior, Química Nova, 29(6), 1387-1392, 2006.

Capecchi, M.C.V.M. e Carvalho, A.M.P., Argumentação em uma aula de conhecimento físico com crianças na faixa de oito a dez anos, Investigações em Ensino de Ciências, 5(3), 171-189, 2000.

Castro, C.E.R. e Jiménez Aleixandre, M.P., La cultura científica en la resolución de problemas en el laboratorio, Enabril de 2009

• educación química

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Duschl, R., La valoración de argumentaciones y explicaciones: promover estrategias de retroalimentación, Enseñanza de las Ciencias, 16(1), 3-20, 1998.

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Maldaner, O.A., A pesquisa como perspectiva de formação continuada do professor de química, Química Nova, 22(2), 289-292, 1999.

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Oliveira, J.R.S. e Queiroz, S.L., Construção participativa do material didático “Comunicação e Linguagem Científica: Guia para Estudantes de Química”, Revista Electrónica de las Ciencias, 6(3), 673-690, 2007.

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109

ANEXO 1 – Descrição dos tipos de atividades ou interações constituintes do esquema apresentado na Figura 1 (Newton, Driver e Osborne, 1999) Forma de Trabalho dos Alunos (FTA) Atividade com a classe inteira: quando o professor envolve a sala inteira em uma atividade. Exemplo: alunos ouvindo uma explicação ou observando uma demonstração.

Atividade em pequenos grupos: quando grupos de estudantes trabalham juntos. Exemplo: realizando atividades abertas com papel e lápis, discutindo formalmente com o grupo ou realizando trabalho prático direcionado.

Atividade individual: quando o estudante trabalha para desenvolver seu próprio produto. Exemplo: ouvindo uma explicação, lendo, realizando trabalho prático direcionado.

Atividades dos Alunos (AA) Ouvindo uma explicação: quando os alunos são engajados em alguma forma de interação baseada no discurso, isto pode incluir: revisão de uma aula anterior; professor explicando uma idéia científica; professor explicando aos alunos o que fazer em tarefa extraclasse etc. Notar que o “falar” não é exclusivamente tarefa do professor (apesar do mesmo está envolvido na atividade), pois a classe pode estar ouvindo uma idéia que está sendo explicada por um aluno ou assistindo a uma gravação de vídeo.

Lendo: quando cada aluno está lendo um texto silenciosamente ou revezando para ler em voz alta. Isto não inclui a leitura de questões de um trabalho que está sendo desenvolvido na classe, embora inclua a leitura de texto relacionado com o que está sendo estudado.

Realizando exercícios: quando os alunos recebem exercícios para serem resolvidos, que envolvem respostas numéricas ou escritas, mas que geralmente são estruturadas e requerem uma resposta concisa.

Fazendo anotações: quando os alunos estão passivamente registrando informações apresentadas diretamente a eles, através de um livro, de quadro-negro, da fala do professor etc. Quando o aluno registra o que o professor está falando, a descrição fazendo anotações é usada, em detrimento à descrição ouvindo uma explicação.

Realizando atividade aberta com papel e lápis: quando os estudantes estão envolvidos em um trabalho criativo ou reflexivo. Esta é a distinção da atividade realizando exercícios e é planejada para abranger tarefas que não requerem respostas simples, concisas e estruturadas.

Observando uma demonstração: quando os alunos estão observando o professor demonstrar uma investigação prática. Quando a atividade ouvindo uma explicação também ocorre, a descrição observando uma demonstração deve se sobrepor à anterior.

Realizando trabalho prático direcionado: quando os alunos são envolvidos em uma investigação prática com a metodologia predeterminada pelo professor ou pelo livro.

Realizando trabalho prático livre: quando os alunos são engajados em investigações práticas sem uma metodologia predeterminada.

Preparando ou organizando o ambiente: quando os alunos estão se preparando para iniciar ou finalizar uma atividade. Isso pode envolver a distribuição de livros, reunião de equipamentos, deslocamento das cadeiras, lavagem de vidrarias ou a arrumação do material usado nas atividades.

Discutindo formalmente com o grupo: quando os alunos estão reunidos em um ou mais grupos para discutir uma questão específica relacionada ao conteúdo ministrado. Isso pode envolver uma discussão sobre a explicação de um fenômeno científico, as questões morais relacionadas a uma questão científica etc.

Interação Professor - Aluno (IPA) Professor dando instruções: quando os alunos são instruídos sobre o que devem fazer, posteriormente à fala do professor.

Professor explanando idéias científicas: quando o professor está explicando uma idéia, descrevendo um fenômeno, resumindo uma aula anterior etc.

Perguntando e respondendo: quando existem situações que envolvem uma questão levantada pelo professor, uma resposta dada pelo aluno e uma avaliação posterior do professor.

Realizando atividades deliberativas: quando o professor e os alunos são envolvidos em uma discussão mais prolongada ou profunda sobre uma questão. Difere da interação perguntando e respondendo, uma vez que o professor está interessado no raciocínio que está por trás das respostas que os alunos fornecem. É provável que demonstre isso ao encorajá-los no desenvolvimento das suas idéias.

Aluno elaborando questões: quando o aluno formula questões relacionadas ao conteúdo discutido na sala de aula

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educación química •

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de aniversario: “argumentación en el salón de clase”

Argumentation and Epistemic Criteria: Investigating Learners’ Reasons for Reasons Richard Duschl1 and Kirsten Ellenbogen2

ABSTRACT The dominant practices in science are not discovery and justification but rather the broadening and deepening of explanations via theory development and conceptual modification. New tools, theories, and technologies are fundamentally changing the methods and inquiry practices of science. In turn, the forms of evidence and criteria for what counts as evidence change, too.

The implication is the importance of including and understanding the epistemic and social practices embedded in the science learning goals ‘critique and communication of scientific ideas and information’. The study examines 11-year old students’ argumentation patterns and epistemic reasoning. The focus is on students’ arguments and choices as they pertain to reasons and evidence given to support claims about data and measurement. Results suggest that students are able to evaluate the quality of arguments made by classmates and can do so employing a number of different reasons or perspectives. An understanding of how students choose and use evidence is important for understanding how to coordinate formative assessments and focus teacher’s feedback on students’ epistemic reasoning.

KEYWORDS: Argumentation, Computer Supported Learning, Scientific Reasoning, Philosophy of Science.

Introduction The last 50 years have been a parade of new scientific methods, ideas and beliefs; Pluto is no longer considered a planet!

The practices and images of science today are so very different and this is largely due to the advancements in methods and instrumentation for observing, measuring, analyzing and modeling. Certainly the fundamental frameworks of scientists working from material evidence to propose explanations and mechanisms are generally the same. New tools, theories, and technologies though have fundamentally changed both the guiding frameworks and the inquiry practices of science (Duschl & Grandy, 2008; NRC, 2007a). In turn, the forms of evidence and criteria for what counts as evidence have had to change, too.

The contemporary understanding of the nature of science (c.f., Giere, 1988; Longino, 2002; Godfrey-Smith, 2003; Soloman, 2008) holds that the majority of scientists’ engagement is not individual efforts toward establishing final theory acceptance, but rather communities of scientists striving for improvement and refinement of a theory. What occurs in science is not predominantly the context of discovery or the context of justification but the contexts of theory development, of conceptual modification. Thagard (2007) posits that coherence, truth, and explanatory coherence of scientific explanations are achieved through the complementary process

Department of Curriculum and Instruction, Penn State University, University Park, PA USA. 2 Science Museum of Minnesota, St. Paul, MN, USA. 1

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in which theories broaden and deepen over time by accounting for new facts and providing explanations of why the theory works. Recent research reviews (NRC, 2007a; Duschl, 2008; Duschl & Grandy, 2008; Ford & Forman, 2006; Lehrer & Schauble, 2006b) and research studies on science learning (Ford, 2008a; Lehrer, Schauble, & Lucas, 2008; Smith, Wiser, Anderson & Krajcik, 2006) maintain that the same broadening and deepening practices based on a set of improving and refining tenets within a community of investigators ought to hold for teaching and learning practices in science learning environments. For scholars in the emerging domains of the learning sciences and science studies the emphasis is on ‘science as practice’ and in particular the epistemic and social practices embedded in the critique and communication of scientific ideas and information.

The research reported here is part of a broader research program that seeks to better understand how to mediate students’ argumentation discourse (Duschl, 2008; Erduran & Jimenez-Aleixandre, 2008; Duschl & Osborne, 2002). Here we report results of a study that examines students’ reasoning as it pertains to reasons and evidence given to support claims about data and measurement; i.e., what counts as evidence for the critique of data. An understanding of how students choose and use evidence is important to understanding how to coordinate and focus teacher’s feedback on epistemic reasoning and learners’ practices with building and refining models.

Review of Literature Wellington and Osborne (2001) argue that if science and scientists are epistemically priviledged, then it is a major de aniversario

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shortcoming of our educational programs that we offer little to justify the current lack of focus on epistemic practices in classrooms. Wellington and Osborne are speaking to the misplace priorities we find in most science curriculum. That is, the dominant focus is teaching what we know. How we came to know and why we believe what we know are marginalized aspects of science learning. Successful science education depends on students’ involvement in forms of communication and reasoning that models the discourse that occurs in scientific communities (e.g., Herrenkohl, Palincsar, DeWaters, Kawasaki, 1999; Roseberry, Warren & Conant, 1992; Schauble, Glaser, Duschl, Schulze, & John, 1995).

A critical step forward is engaging learners in examining the relationships between evidence and explanation. A dominant dynamic in scientific communication is the dialectical practices that occur between evidence and explanation or, more generally, between observation and theory. Increasingly when examined over the last 100 years, these dialectical exchanges involve or depend on the tools and instruments scientists employ (Zammito, 2004). Ackerman (1985) refers to such exchange practices as the ‘data texts’ of science and warns that the conversations among contemporary scientists about measurement, observations, data, evidence, models, and explanations is of a kind that is quite foreign from the conversations found in the general population and, we might add, in science classrooms (Duschl, 2008; Driver, Newton & Osborne, 2000).

Pickering (1995) referred to this conflation of conversations when describing experiments in high-energy physics as the ‘mangle of practice’. Hacking (1988) writes that it is the richness, complexity and variety of scientific life that has brought about a focus on ‘science as practice.’ For Pickering, scientific inquiry during its planning and implementation stages is a patchy and fragmented set of processes mobilized around resources. Planning is the contingent and creative designation of goals. Implementation for Pickering (1989) has three elements: • a “material procedure” which involves setting up, running and monitoring an apparatus; • an “instrumental model,” which conceives how the apparatus should function; and • a “phenomenal model,” which “endows experimental findings within meaning and significance … a conceptual understanding of whatever aspect of the phenomenal world is under investigation.

The “hard work” of science comes in trying to make all these work together (Zammito, 2004; pp. 226-227).

A critical step forward toward changing the ‘what we know’ instructional condition is to engage learners in examining the relationships between evidence and explanation. As stated above, a dominant dynamic in scientific communication is the data text discourse that occurs between evidence and explanation. This dialectic typically takes the form of arguments and is central to science-in-the-making activities.

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Duschl (2003; 2008) has developed a set of design principles that coordinate conceptual, epistemic and social learning goals. The pedagogical model is the Evidence-Explanation (E-E) continuum depicted schematically in Figure 1.

The E-E continuum (Duschl, 2003) has its roots in perspectives from science studies and connects to cognitive and psychological views of learning. The appeal to adopting the E-E continuum as a pedagogical framework for science education is that it helps work out the details of the epistemic discourse processes. It does so by formatting into the instructional sequence select junctures of reasoning, e.g., data texts transformations. At each of these junctures or transformations, instruction pauses to allow students to make and report judgments. The three critical transformations or judgments in the E-E continuum include: a) Selecting or generating data to become evidence. b) Using evidence to ascertain patterns of evidence and models. c) Employing the models and patterns to propose explanations.

The results reported in this paper focus on the first and second transformations; i.e., the reasons given for what counts as evidence and patterns in evidence. Yet another important judgment is deciding what data to obtain (Lehrer & Schauble, 2006a; Petrosino, Lehrer & Schauble, 2003). The development of children’s consideration for measurement and data prior to starting the E-E continuum is critically important, too.

Research Context and Methods The present study examines two classes of 11-year old students’ argumentation patterns and epistemic reasoning. The school setting was a K-12 international school for American children located in a major metropolitan city. One of many located around the world, the school provides an American education for families living abroad. The school is fee paying and the students come from a mix of middle and high SES families. The school was physically divided into three sections

Figure 1. 3 Data Transformations and Decision Making Points. educación química •

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1. Receive ideas. Students ‘show what they know’ by producing detailed writing, drawings, and storyboards.

2. Recognize ideas. The diversity of ideas received is made public. Students’ ideas and the data from investigations are then discussed against a set of scientific criteria and evidence. The teacher selects the student work that will reveal the critical differences in student representations and reasoning.

3. Use the ideas. A class discussion takes place that examines and debates student’s representations, reasons, and thinking. The teacher’s role is to pose questions and facilitate discussion that results in a consensus view(s).

Image 1. Knowledge Forum Note with ‘Theory Building’ prompts.

— the lower school grades K-5 (ages 5-10), the middle school grades 6-8 (ages 11-13), and the upper school grades 9-12 (ages 14-18). The students for this study were 6th graders thus part of the middle school. The middle school had two instructional teams made up of four teachers — English, Social Studies, Science and Math. In addition, the middle school had a full-time teacher assigned to the dedicated space for computer instruction. For this study, we worked with each of the science teachers and the computer teacher. Teachers at the school are typically American educated but not necessarily in possession of a teaching certificate.

The science subject context is a two-week unit on “Exercise for a Healthy Heart” developed by the American Heart Association (AHA). Students participated in several labs that require taking a pulse and gathering pulse data. There were three conditions — at-rest, change of pace, and change of weight — that students completed in three sequential lessons in the science classroom. After all the data gathering of pulse rates was completed students moved to the middle school computer lab. Each student was provided a computer station.

The “Knowledge Forum” (KF) computer software program was loaded onto each of the computers and the classroom server. KF was formerly known as CSILE (Computer Supported Intensive Learning Environments) and was designed with scaffolding tools and prompts to support learners’ knowledge building and knowledge revision activities (Scardemalia, Bereiter & Lamon, 1994). In a ‘chat room’ type of environment, pupils can post notes, read classmates notes and build-on and make collections of notes (see Image 1).

For the present study, scaffold tools located in KF were adapted to help guide and mediate pupil’s participation in ‘speaking together’ sessions. One adaption was to overlay the KF discourse environment with the Project SEPIA ‘assessment conversation’ framework (Duschl, 2003; Duschl & Gitomer, 1997). Speaking together opportunities when properly planned and managed are occasions for making thinking visible. In Project SEPIA the ‘speaking together’ occasions take place during instructional episodes designated assessment conversations (AC). The AC is a teaching model for facilitating and mediating discourse practices and it has three general stages: abril de 2009

• educación química

A second adaptation to KF was to change the writing scaffolding prompts in the software to argumentation prompts. The argumentation prompts focused students on considering what counts as good and accurate data; the Argumentation 1 and 2 transformation points shown in Figure 1. Two probes of inquiry were used — one that asked students to consider the collection of data and one that engaged them in considering the analysis of data.

Following the completion of pulse data gathering investigations, students were presented with KF tasks to pursue students’ arguments concerning the collection of data. In the first activity students were directed to write and post a ‘note’ agreeing or disagreeing with each lettered statement below.

The KF note window prompted students to supply a reason and to cite evidence to support an agree or a disagree position. The four data statements presented to students on the KF screen as notes are: A. It matters where you take a pulse.

B. It matters how long you take a pulse (6, 10, 15 or 60 seconds).

C. It matters when you begin to take a pulse after exer­ cising.

D. It matters who takes a pulse.

Upon completion of the write/post-a-note activity, we found that of the four statements, only the first two statements A and B produced a diversity of responses suitable for an assessment conversation on coordinating and conducting argumentation discourse activities. For this research report, our focus is only on Statement B - “It matters how long you take a pulse.” Examples of students posted notes (as written and submitted) for Statement B include: • Note 1 It doesn’t really matter for how long you take the pulse, just as long as you multiply the pulse by the correct number of seconds.

• Note 2 I think it does matter how long you take the pulse. The only true way to get the heart rate per minute is to take the pulse rate for a minute.

• Note 3 Yes, I think time does matter in taking a pulse.

Such as being active. You stop being active and take your pulse. The longer you take, you heart beat will slow down to it normal rate. de aniversario

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B-A&D-1 5 votes Statement B: It matters how long you take a pulse Disagree Reason Why If you are working out and you want to take your pulse you have to do it right after you stop your activity.

Agree Reason Why If you are taking your resting heart rate it doesn’t matter how long you take it for because it will be consistant (sic).

Reasons for Selecting B-A&D-1 as a Good and Accurate Statement: —— You could really understand what they were talking about and saying.

—— They explained themselves and I think they were right.

—— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky.

—— One of these explains agree really well with detail and another explains both pretty well.

—— They are accurate and they prove the point well.

Figure 2. Reasons given for highly selected Best Statement B-A&D-1.

• Note 4 I think taking the pulse for 60 seconds is more accurate because if you take a pulse for 30 secs., 15 sec., or 10 sec. you have to multiply and you can make a mistake.

• Note 7 Yes because there heart bets different.

• Note 8 I don’t think it matters because it is all the same because you keep the same constant pulse if you take it in that period of time.

• Note 9 I think it matters a lot because the more we move the more blood we use and the faster we go.

• Note 10 I do not think it matters because, you only have one constant pulse rate.

• Note 24 I actually think that taking people’s pulse for 1 whole minute is the most accurate. I think that because You don’t have to times the number by another number. If you take someone’s pulse for 6 seconds, and multiply wrong or something like that, your whole pulse would be wrong!!!!!

• Note 25 I think it would be more acurate to take a pulse for 15 sec. You can mess up if u take a pulse with your thumb, lose count, or if the other person gets impatient.

From the total pool of students’ responses, the researchers selected a sample of 15 responses from the two classes (eight agree, six disagree and one agree & disagree) as responses that reflected the diversity of student’s ideas and positions. These 15 responses were posted on KF as ‘notes’ on a new view. A ‘view’ is the label used in KF to describe a new forum for student discussion. The next class session when students arrived to the computer classroom the 15 notes were on the computer desktop. The students were directed to open, read

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B-A-3 8 votes Statement B: It matters how long you take a pulse Agree Reason Why Because if you are recording the pulse after a certain amount of exercise because the blood pressure will start to go down after a certain amount of time, therefore making the number of beats per minute. It would be most accurate if you took the pulse for ten seconds multiplying it by six to find the number of beats per minute.

Reasons for Selecting B-A-3 as a Good and Accurate Statement: —— Give good support.

—— It has a good point and backs up its point very well.

—— It is clear and it explain the argument well (ie. the blood pressure will start to go down after a certain amount of time).

—— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by 40 it won’t be accurate unless your lucky.

—— They make their point. They brought new ideas and explained them.

They also took old ideas but explained them better than the others.

—— I agree with them and they prove they’re point well. They’re point is that if one takes one’s pulse for 3 secs. you would probably not find an accurate heart beat.

—— They say that it does matter and then explane why it matters.

—— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers.

Figure 3. Reasons given for highly selected Best Statement B-A-3.

and respond to each of the notes. For each note, students were directed to use the KF scaffold tool: 1) to either agree or disagree with the statement; 2) to provide a reason for this decision, and 3) to cite evidence to support the reason.

The most frequently selected notes with accompanying arguments (reasons and evidence) can be found in Figures 2, 3, 4, and 5.

The codes B-A-8 refer to statement B, Agree, and statement 8. The boldface words signify scaffold tool buttons we the researchers embedded into the KF environment. Students were instructed to use these tools as they wrote the agree/ disagree statements. By design, as stated above, a diversity of student responses were selected for the purpose of studying what criteria students would use to assess and evaluate the position made by students in their statements.

Table 1 presents the outcome of the task. Three statements were judged by students to be the best. Namely, B-A-3 with eight votes; B-A-8 with six votes and B-A&D –1 with five votes. While the intention of the researchers was that students would make only one selection, many students followed the make-a-collection instructions and selected two or more best statements.

Results/Points of View Consensus opinions about the best arguments did emerge educación química •

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B-A-8 6 Votes Agree Reason Why Because if you take a pulse for too long, the person you are taking the pulse of might calm down and it would beat slower.

We took pulses in science class and after resting the pulse was slower, and after doing step-aerobics it was faster.

Reasons for Selecting B-A-8 as a Good and Accurate Statement: —— They explained themselves and I think they were right.

—— One of these explains agree really well with detail and another explains both pretty well.

—— No reason given.

—— They say that it does matter and then explane why it matters.

—— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers.

B-D-5 3 Votes Statement B: It matters how long you take a pulse Disagree Reason Why It does not matter if you are resting but if you have been exercising and want to find the pulse you must take it as soon as possible or it will slow down. Evidence After I had been exercising I had a glass of water and then took my pulse but it was the same as my resting heart rate.

Reasons for Selecting B-D-5 as a Good and Accurate Statement: —— They are accurate and they prove the point well.

—— They make their point. They brought new ideas and explained them.

They also took old ideas but explained them better than the others.

—— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers.

Figure 4. Reasons given for highly selected Best Statement B-A-8.

Figure 5. Alternative best statement selected along with highest vote best statement.

from the KF tasks. The data show that 12 students — the consensus group — choose at least one of the three top selected statements. Looking across the three statements and focusing on those students who opted for more than one choice, we see a further consensus among the students. That is, of the students making more than one choice many opted for one or the other of the top three selected statements. This is shown in brackets on the end of reason statements (e.g., [B-D-5].

Following the lead of these 12 students, and with an eye toward establishing the context for the next assessment conversation on the issue of what counts as a good reason, the other selections of the consensus group were examined. Three of the consensus group students selected statement B-D-5, see Figure 5. This represents the only disagree statement. A careful read of the statement shows a contradiction by the student writer in that the narrative of the reason reflects agreement with statement B. This statement is also consistent with the other top selected statements in that it addresses the problem of the heart rate slowing down or calming down with time. Finally, it is the only statement among the consensus group that employed the evidence scaffolding tool. This is significant since a goal of the instruction is to model, scaffold and coach students into the practice of making arguments that site evidence.

We also found it interesting to look at the selection of statements from the student who choose seven and used the same reason for each of the selections - they have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky. The seven selections are found in Table 1. A review of the seven statements reveals a theme that is different from the other eight statements. That is, a concern for the magnification of measurement error when multiplying short durations of data collection (e.g., two or three seconds) to infer beats/minute. One can imagine how a subsequent assessment

conversation can focus students’ attention on the role of measurement, the accuracy of measurement and the ways in which the spread of measurements can influence outcomes in an investigation. Such interrogation of data has been shown to be a critically important step toward students’ engaging in a deepening and broadening of explanatory models and mechanisms (Lehrer, Schauble & Lucas, 2008; Petrosino, et al., 2003; Lehrer & Romberg, 1996). What this program of research has established, and what we contend an exploration of reasons about reasons can reveal, is the confusion students typically make between the attributes and the properties of materials and organisms.

For the data collection task, the research data show that the majority of students are able to evaluate the quality of arguments. For 12 students a consensus of opinion emerged on what counts as accurate data for an exercising heart rate.

We also see an alternative perspective on counting errors emerged with various suggestions on how to deal with counting errors. For example, recommendations to take the pulse for a full 60 seconds may work for resting heart rate but this strategy will not work for an exercising heart rate. With the passage of 60 seconds the pulse rate will slow down. Only some of the students see this situation and take it into account for the evaluation of the statements.

From Table 1 we can see that there were six statements that did not receive any votes.

These results suggest that students are able to evaluate the quality of arguments made by classmates and can do so employing a number of different reasons or perspectives.

Disturbingly, the data also reveal that students are not providing evidence for the reasons selected. Students did not employ the KF evidence scaffold tool. This suggests there is confusion among students about the difference between reasons and evidence or the need to support reasons with evidence.

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Table 1. Statement Selections and Reasons for Selection

Statement B: It matters how long you take a pulse.

Statement B

Number of Students Selecting Statement

Reasons for Selecting Statement a

B-A&D-1

XXXXX 5

—— You could really understand what they were talking about and saying; —— They explained themselves and I think they were right(2); —— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7); —— One of these explains agree really well with detail and another explains both pretty well (2); —— They are accurate and they prove the point well (2).

B-A-1

X 1

—— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7).

B-A-2

XX 2

—— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7); —— No reason given (2).

B-A-3

XXXXXXXX 8

—— Give good support(2); —— It has a good point and backs up its point very well; —— It is clear and it explain the argument well (ie. the blood pressure will start to go down after a certain amount of time; —— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7); —— they make their point. They brought new ideas and explained them. They also took old ideas but explained them better than the others. (2); —— I agree with them and they prove they’re point well. They’re point is that if one takes one’s pulse for 3 secs. you would probably not find an accurate heart beat(2); —— They say that it does matter and then explane why it matters (2); —— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers (3);

B-A-4

XX 2

—— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7); —— I agree with them and they prove they’re point well. They’re point is that if one takes one’s pulse for 3 secs. you would probably not find an accurate heart beat(2).

B-A-5

0

B-A-6

XX 2

—— It says all you need to know and it uses a good example; —— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7)

B-A-7

XX 2

—— Give good support(2); —— They have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky (7)

B-A-8

XXXXXX 6

B-D-1

0

B-D-2

0

B-D-3

0

B-D-4

0

B-D-5

XXX 3

B-D-6

0

—— They explained themselves and I think they were right (2); —— One of these explains agree really well with detail and another explains both pretty well (2); —— No reason given (2); —— They say that it does matter and then explane why it matters (2); —— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers (3).

—— They are accurate and they prove the point well (2); —— They make their point. They brought new ideas and explained them. They also took old ideas but explained them better than the others. (2); —— They are all making a different point and that makes more clear to understand the answers (3).

- Number in ( ) indicates the number of times a student used the ‘reason statement’ to justify selecting a Agree/Disagree statement. For example, one student used the following statement seven times: they have a good argument and because if you only take a pulse for two seconds and times it by forty it won’t be accurate unless your lucky. a

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Educational/Scientific Importance An understanding of how students choose and use evidence is a goal of this research study. Making thinking visible about choosing and using evidence is important to understand so that we can help to coordinate and focus teacher’s feedback on epistemic reasoning. Additionally, choosing and using evidence are core practices learners’ need to use when building and refining models.

Students’ using the analysis of the heart beat patterns and graphical representations to comment on issues about good and accurate data was successful to a point. We found that the development of the ability to distinguish reasons from evidence is an instructional situation that will need careful mediation from the teacher and from knowledgeable peers. It would seem that more attention needs to be given to the interrogation and modeling of the pulse rate data. Lehrer and Schauble (2006b) have reported that getting students to engage in resemblance representation tasks is an entrée to modeling. Modeling, they maintain, is then sustained and extended by using resemblances to construct representational forms that afford quantification and investigation of relations among quantities (Lehrer & Schauble, 2006a; Lehrer et al., 2008).

There is also the possibility that the inability to distinguish reasons from evidence is related to confusions surrounding attributes (e.g., blood flow) and properties (e.g., pulse rate).

The significance of this possibility is that domain-general rules for what counts as a reason, evidence, warrants and backings so not work effectively across different investigative contexts (Lehrer et al., 2008). Rather, such ‘what counts’ rules will need to be sensitive to both the conceptual and the epistemological domain under investigation. The development of learners’ abilities to talk about measurement, observations, evidence, patterns, and modeling will need frequent and insightful mediation from teachers and more knowledgeable peers.

This research study has raised questions and issues about the design of science learning environments that seek to promote scientific discourse practices. We see the following assertions and issues as relevant to the enterprise: • The ability for students and teachers to reconfigure information allows post hoc discussions about evidence, methods of data collection, reasoning, and explanations. Computer supported discourse like KF allows the pace of argumentation to slow down and thus enable teachers and students to ‘take stock’ of the information and ideas emerging from scientific inquiries.

• Our interventions show that ideas and information emerging from small group and whole class activities can be captured by a computer server and used effectively to inform assessment decision making and the mediation of students epistemic reasoning.

• One of the main advantages of the computer supported environments like KF is that the visibility of student thinking is available for inspection and re-inspection by the teacher and students alike. Employing the KF platform in abril de 2009

• educación química

conjunction with other artifacts (e.g., notebooks, journals) makes possible studying the fate or outcome of a line of reasoning. We see very important implications for understanding the developmental corridors for learning epistemic practices of science. Knowledge Forum, in many ways, predates the structures and philosophies of “Web 2.0.”

Web 2.0 is exemplified by wikis, blogs, and user-driven websites that value user-generated content. These environments include creating archives as collective memory, visualizing cognitive processes, and uniting groups that are geographically distributed (Andriessen et al., 2003; Zimmerman, 2005). Drawing on these theories about the nature of CSCL learning, researchers have reported on a number of structured online systems developed to facilitate individual and group science learning by emphasizing the formation of argumentative discourse through group conversations and writing projects (Bell, 2000; DeVries, Lund, & Baker, 2002; Scardamalia, 2002).

• Our study suggests that the ability to manipulate the metacognitive prompts (i.e., scaffold tool bar) is a powerful way to both engage and develop epistemic reasoning.

When students become aware of their own learning processes, they gain much richer understandings of the content of their learning, and become better, more empowered learners (e.g. Baird, 1986). Metacognitive prompts can focus on students’ self-reflections of their interactions and roles, their self-perceptions of the learning tasks, and their learning strategies. Students can also be asked to explain and elaborate on any other strategies that they promoted their group and individual activities, learning, and task completion.

Acknowledgements Thanks to our collaborating teachers Tim Hicks, Mike Kugler, and Tracy Klebe.

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abril de 2009

de aniversario: “argumentación en el salón de clase”

Cool Argument: Engineering Students’ Written Arguments about Thermodynamics in the Context of the Peltier Effect in Refrigeration Sibel Erduran1 and Rosa M. Villamañán2

Abstract In this paper, we investigate university engineering students’ written arguments in the context of the thermodynamics principles involved in refrigeration. The students were given writing frames to complete reports following investigations on thermoelectric coolers, sometimes called “thermoelectric module” or “Peltier cooler”. The device is a semiconductor-based electronic component that functions as a small heat pump. By applying a low voltage DC power source to a cooler, heat moves through the module from one side to the other. One module face, therefore, will be cooled while the opposite face is simultaneously heated. The task immerses students in the context of providing evidence and justifications for temperature change using general principles of thermodynamics. The context of the study provides examples on the nature of arguments in the applied field of engineering where appeals to scientific principles are made to justify the design of an industrial product. The writing frame engaged the students in the recording, analysis and interpretation of experimental data including data from a simulation program. Several lines of analyses have been conducted including the epistemic levels of students’ arguments. This paper will report on one aspect of analysis focusing on the quality of students’ written arguments. A simplified version of Toulmin’s Argument Pattern (1958) has been used as a guiding model to investigate the written arguments. Results indicate that very few students were able to accurately interpret the experimental data and only 35% of the arguments from 31 reports were valid. Most texts used conclusions that were not derived from the evidence used. We propose some rubrics to further support the writing and evaluation of arguments.

Keywords: argumentation, Peltier effect, epistemic levels, Tolumin’s Argument Pattern

Introduction In recent years, the learning and teaching of argumentation i.e., the coordination of evidence and theory to support or refute an explanatory conclusion, model or prediction (Suppe, 1998) has emerged as a significant educational goal. Of growing importance in science education is the need to educate students about how we know and why we believe in certain claims (Erduran and Jimenez-Aleixandre, 2008). The shift from what-we-know to how-we-know requires a renewed focus on how science education can promote students’ skills in justifying claims with evidence. The case made is that argumentation is a critically important discourse process in science (Toulmin, 1958) and that it should be taught and learned in the science classroom. Considerable research has been carried out in argumentation in science classrooms (e.g.

University of Bristol, United Kingdom.

Correo electrónico: Sibel.Erduran@bristol.ac.uk 2 University of Valladolid, Spain.

1

abril de 2009

• educación química

Erduran, Simon and Osborne, 2004; Jimenez-Aléixandre, Rodríguez and Duschl, 2000; Kelly and Takao, 2002; Zohar and Nemet, 2002).

Writing has been advocated as a tool in the learning of science particularly in coordinating modes of inquiry and acquisition of scientific ways of thinking (Keys, 1999) such as argumentation. Numerous researchers (e.g. Hand, Prain, Lawrence and Yore, 1999; Kelly and Takao, 2002) have been investigating students’ science writing. The evidence suggests that students are not able to explain how knowledge claims are established nor how ‘writing could act as an epistemological tool’ (Hand, Prain, Lawrence and Yore, 1999, p. 160). In argumentation studies, Toulmin’s Argument Pattern (1958) has been adapted as a model to support the writing of argument.

For example, Bell and Linn (2000) adapted the Toulmin model for the design of the tool called SenseMaker. In a similar vein, researchers at Northwestern University developed a software programme called BGuILE (Biology Guided Inquiry Learning Environments) which supports the writing and justification of causal claims in science (e.g. Sandoval and Reiser, 2004). de aniversario

119

The purpose of this paper is to present an investigation conducted on a subset of data collected with 130 university engineering students’ written arguments in the context of the thermodynamics principles involved in refrigeration. Given argumentation is a key aspect of scientific inquiry, its place in tertiary science and engineering curriculum is critical though few research studies have focussed on tertiary education in argumentation studies (e.g. Kelly, Chen and Prothero, 2000). In this study, we aimed to better understand how argumentation can be promoted in tertiary education, particularly in the context of engineering education. Investigations into argumentation in a particular science content domain not only illustrates how the nature of science operates but also could provide indicators for how science education could be better aligned with domain specific features of knowledge (Erduran, 2007). The students were given writing frames to complete reports following investigations on thermoelectric coolers, sometimes called thermoelectric module or Peltier cooler.

The device is a semiconductor-based electronic component that functions as a small heat pump. By applying a low voltage DC power source to a cooler, heat will be moved through the module from one side to the other. One module face, therefore, will be cooled while the opposite face simultaneously is heated. The task context immersed students in the context of providing evidence and justifications for temperature change using general principles in thermodynamics. Engineering students carried out investigations including the use of a simulation program (Chamorro, Segovia, Villamañán, Martín and Villamañán, 2004).

Laboratory instruments used for data collection Over 4 weeks, each student group had to study the Peltier effect, a principle that they would use in their professional future designing devices to either heating or refrigeration appliances in the industry context. The students were given the writing frame from Table 1 to complete reports following investigations on thermoelectric coolers. The device is a semiconductor-based electronic component that functions as a small heat pump. By applying a low voltage DC power source to a cooler, heat will be moved through the module from one side to the other. One module face, therefore, will be cooled while the opposite face simultaneously is heated. One of the drawbacks of experimental work is the amount of time that should be spent, due to the complexity of the setups and the waiting time to achieve equilibrium conditions. Computer simulation is a complementary powerful tool in laboratory work. It can support learning through trial and error, since data can be manipulated hypothetically in different conditions. The effects studied are made through laboratory equipment and a simulation program displayed in Figure 1.

Methods

• The laboratory equipment is R533, P.A.Hilton Ltd, U.K. This is a heat thermoelectric pump that consists of a Peltier module. This pump can be used for heating or refrigerating.

• The simulation is programmed in Visual Basic 6.0 and the screen interface is friendly, easy to understand and similar to the equipment from the laboratory to easily identify the entire element involved. This program had been developing by the university team in engineering (Chamorro, 2004).

Participants

Argumentation Scaffolds

This study took place in the Faculty of Engineering in a European university (Valladolid, Spain). Participants were 130 students of 3rd course in “Technical Thermodynamics II” subject of the academic curriculum. Students’ practical work involved collaboration in groups of three or four. The final written reports were produced by each group with a total of 31 reports for the course.

A writing frame was produced including a set of questions to guide the use, analysis, interpretation and presentation of data and conclusions. The questions proposed are convergent and divergent with different difficulty and with an increasing abstraction degree. These questions have different purposes: (a) convergent inquiries try to promote the ability to construct arguments about the knowledge associated with mathematics

Figure 1. Laboratory equipment and simulation program.

120

de aniversario

educación química •

abril de 2009

and science. Such argumentation to converging questions are expected to hold truth value, that is, to be verifiable. For example the question of “What is the temperature of the cool side at different voltage flow?” promotes and records a convergent inquiry; (b) divergent inquiries take place in the concept domain, where the argumentation does not have truth value, which is not necessarily verifiable. Such argumentations involve a higher level of abstraction and difficulty. For example, the question “Can you identify the logic for the behaviour of what you observe?” invites the students to reason by appealing to a range of principles about thermodynamics.

Thus students’ written tasks were supported with a range of questions so as to enable the manifestation of a range of arguments from those that are readily derived from the use of algebraic equations to those that would require further abstraction and reasoning with qualifiers from a range of theories and principles. The questions on the writing frame are summarised in Table 1.

Data sources for students’ arguments Data sources were 31 written reports produced by all groups.

Examining students’ answers across the inquiries of the problems can show the effect of practice on students’ use of data and may show differences regarding the nature of the data as well as how well students make sense of data for variable temperature change using general principles in thermodynamics.

Approaches to data analysis A simplified version of Toulmin’s Argument Pattern (Toulmin, 1958) allowed us to carry out the analysis of the student’s argued texts from the empirical data. Toulmin’s framework in more depth has been used by researchers to identify the quality of argumentation in science classrooms (Erduran et al., 2004). We have emphasised the key claims made, the data used to validate the claim and the further justifications used to warrant the use of the data to make the claim. We have produced a framework based on the quality of the epistemic levels and argument quality in the written reports.

Here we will provide a brief overview with respect to broad categories for the quality of the empirical data gathered by the students, validity of the argued text and the inferences made between facts and observed phenomena.

Table 1. Questions guiding the writing of arguments.

DATA MEASUREMENT AND EXPRESSION Data from the laboratory equipment.

Data from simulation program SimBCT. DATA ANALYSIS Analyze the behaviour of TE module using information — including diagrams, graphics and suitable variables — that you consider necessary.

What is the temperature of the cool side at different voltage flow through the cell?

How did the temperature of the hot side change?

How much electric power is consumed by the cell in each case?

DATA INTERPRETATION AND DISCUSSION Can you identify the logic to the behaviour of what you observe?

What is the lowest temperature of the cell and what are the conditions for obtaining this temperature?

Do the data depend on the room temperature or the temperature of the hot side?

Do you believe that the temperature of the cooler side should change if we do not put a heat sink with a fan to dissipating the heat from the hot side?

What other devices are there in the market for refrigeration systems?

What analogies and differences could you find between a conventional cooling system and a thermoelectric cooling system?

What environmental implications does the TE module have as a cooling system?

count the system variables together with their accuracy.

Despite the emphasis in instruction to use the data in the right scientific-technological language, just only 19% of students found out the right expression of the observed phenomenon related to the thermoelectric effect.

Formal validity of the argued text Formal validity refers to the presence of the data, warrant and claim as the key components of the argument. Without these three components as well as a logical and accurate link between these components, the text is not considered a valid argument. Only 35% of argued texts are formally valid. Most of the students used tautologies, propositions and ambiguous sentences. Examples of students’ arguments are illustrated in the following paragraphs.

Example 1: Peltier effect as a warrant The following is an excerpt from a student’s written report:

Results Description of the empirical data gathered by the students Data are the factual background to any argument. They trace the path towards a conclusion or a claim. An example of typical errors in data expression and representation from a group’s work is illustrated in Figure 2. During the proposed problems, students should be able to take relevant information (data, evidence) from measurements either from experiments or simulation program. Students should take in acabril de 2009

• educación química

In the previous tables (tables I and II) we can observe how the temperature changes similarly between the cold and the hot side of the cell. One can realize that when we increase the applied voltage, we increase the absolute value of both sides, this is, the hot side increases its temperature and the cold side decreases its temperature. According to this, the flow heat that can be profited increases (in this case the heat is dissipated by a suitable heat sink attached to hot side). This is due to Peltier effect, according to this, the heat has been produced depending on the voltage (or the intensity) and a coefficient.

de aniversario

121

Figure 2. Data from student work.

V PELTIER(v)

Thot – Tcold

0,5

9,57

1

18,38

1,5

26,43

2

33,71

2,5

40,23

3

46

3,5

51

4

55,23

4,5

58,71

5

61,43

Making the representation of previous data ΔT (Thot – Tcold ) vs voltage (tension) applied we have

We can fit the data to a parabola equation ΔT = −1,5241 ⋅ V 2 + 19, 908 ⋅ V − 3 ⋅ 10 −6 m m According to this equation, when we apply a voltage between the cold and the hot sides, a difference of temperature (ΔT) is created and it always increases in a parabolic way.

Analysis of the inferences made between facts and observed phenomena

In this example, we identified the main claim of the argument as that “the heat that has been produced depends on the voltage or the intensity and a coefficient.” The Peltier effect is used as a justification or warrant for this claim. When the student writes, “In the previous tables (tables I and II) we can observe how the temperature changes similarly between the cold and the hot side of the cell. One can realize that when we increase the applied voltage, we increase the absolute value of both sides, this is, the hot side increases its temperature and the cold side decreases its temperature”, he is referring to the empirical data from his experimental work. In summary, in this example, there is an argument with a main claim, reference to empirical data and a warrant to justify how the data relate to the main claim.

Example 2: Algebraic equation as a warrant In this example, there are instances of a main claim, data and warrant. The main claim is “when we apply a voltage between the cold and the hot sides, a difference of temperature (ΔT) is created and it always increases in a parabolic way.” The student is backing up this claim by appealing to the data represented in the table and the graph. The use of the ΔT equation provides further justification, substantiating the claim and can be considered a warrant given it’s appealing to the data and how the data can fit into a parabola. In other words, the algebraic equation is used to extend the use of the data and to provide a further rationale for the patterns in the temperature difference.

122

de aniversario

Throughout the text, from the initial thesis to the final conclusion there needs to be coherence in order to validate the whole argument. Facts are established from experimental data having a meaning in the conclusions due to laws, theories, principles, models and so on. Hence concordance between experimental evidence and established conclusions were analyzed in the students’ inferences. Conclusions were made from three different points of view: (a) a theoretical view inserted in a scientific context; (b) the experimental facts themselves; (c) a descriptive account. Only 35% of argued texts present a concordance between facts and conclusions (e.g. Figure 3). Most of the texts used evidence that did not reach the conclusions using the evidence. For example, as illustrated in Figure 4 (from one report consisting of the main claim, the experimental data used and the justification for the conclusion) many students’ arguments did not connect the experimental data and any theoretical warrants to justify the conclusions reached. Instead, the main claims made were ir­respective of the data collected. The warrants used were rep­etitions of formulae used in the content domain but not nec­essarily leading to the conclusions reached in the particular example.

Design of rubrics to support writing and evaluation of arguments The results of the study suggest that the writing frame with the questions provided to the students (Table 1) to facilitate their writing needs to be supplemented with further scaffolds in order to improve the quality of students’ arguments. Given that most issues related to the quality of the formal validity of an argument and the inferences made between the components of an argument, we consider that exeducación química •

abril de 2009

Figure 3. Example of data and warrants being used to justify the conclusion reached.

Conclusion The observed behaviour is logical, since when the voltage is higher in the Peltier cell, ΔT = Thot – Tcold is higher, and to increase Thot as we have seen in b section, higher should be the heat that must be dissipated at hot side, so a high intensity that flow V = I · R / R = cte. sd fV – fI Therefore, it is consistent with the consumed power to be higher.

Experimental data

Justification or warrant of qualified

Measurement

Vmód [V]

Imód [A]

Thot [ºC]

1

1

2,9

22,0

3,7

2

2

8

26,4

– 7,2

3

3

8,7

32,6

– 13,3

4

4

11,6

40,7

– 14,5

5

5

14,5

50,7

– 11,7

Tcold [ºC]

At practical level, due to the loss by the heat transferred between the cell and refrigeration fun, it is difficult to get the thermal jump. Neither does it have a linear performance and there are very heavy elements, so the working performance obtained is very low.

f Voltage sd f Power f Power sd fThot sd gTcold

plicit support of these aspects would help to improve students’ writing. Hence we have devised a rubric (Table 2) to supplement the report writing. The rubric again uses the Toulmin model to target particular aspects of argument and are accompanied by a set of questions that the students can reflect on with respect to their own data collection and interpretation. There is also a section on evaluation of the feature of argument suggesting the self- and peer- assessment of the arguments produced in groups. abril de 2009

• educación química

Conclusions and educational implications The study presented illustrates engineering students’ written arguments in the context of Peltier effect in thermodynamics of refrigeration. The particular task context provides examples for the nature of arguments in the applied field of engineering where appeals to scientific principles are made to justify the design of an industrial product. The results highlight the difficulties that tertiary students face with the writing of arguments. Considering that the student sample in the de aniversario

123

Figure 4. Conclusion reached being disconnected from data and warrant.

Conclusion The main use of Peltier cell are as refrigerant, therefore must be the cold side to the lowest temperature possible, we can get this dissipating heat from hot side with the higher performance possibly in a fun manner! In this respect, the results are environmentally important since at hot room temperature we will have a higher Theat and higher Tcold. That is what we don’t want that are that cold side make a refrigeration higher possible.

Experimental data

Justification or warrant

Measurement data from simulation program

To apply a voltage difference on the cell, it will produce an emission and an absorption of heat by time unit equal: QTH = 2α Thot I power thermoelectric heating QTC = 2α Tcold I power thermoelectric cooling Where: Thot = hot side temperature Tcold = cold side temperature α = Seebeck coefficient

I = electric current intensity through the circuit The net flow exchanged according to previous expressions is: P = Qhot – Qcold = α (Thot – Tcold) I = α ΔTI Therefore, to modify the hot side temperature, Thot , is necessary to be account that depends on current intensity through the circuit and the Seebeck coefficient.

Table 2. Rubric to support and evaluate written arguments.

Feature of arguments Formal validity Structure of reasoning

Observational data

Analysis criteria

Scores (0 = minimum, 2 = maximum)

Are the essential components of an argument (claim, data, warrant) present and are they accurate?

Are there multiple lines of reasoning? What are the different lines of reasoning?

Are the lines of reasoning plausible given the scope of the thesis?

Do the lines of the reasoning converge to a conclusion?

Are the data appropriate? Are they based on or derived from observation?

Are the data presented in the right scientific language?

Warrants

Qualifiers Conclusion

124

de aniversario

Are the representations well expressed?

Are the data used relevant?

Are the data sufficient to reach the conclusion?

Do the warrants used relate to the data and the conclusions?

Are the warrants used to justify the use of data to reach the conclusion?

How are the warrants related to backings? Are there any backings to support and justify the warrants?

Are qualifiers used?

Are qualifiers used of different kinds?

Are the inferences valid made between the data and the conclusion valid?

Is the conclusion supported by the data, warrants and backings?

educación química •

abril de 2009

study were third year engineering students, it is particularly surprising that the majority of the conclusions were not derived from the experimental evidence despite the questioning support provided for the writing of the final report. The result provide some indicators for guidelines as to how future support structures could be designed to help students in their collection, analysis, interpretation and presentation of experimental evidence. For instance, we have illustrated how an evaluation rubric could supplement students’ writing. The study has implications for how students can be introduced to the writing of arguments in science and engineering contexts earlier on in their education in order to minimise difficulties at a more professional level. As the task context illustrates, understanding the rationale for and the structure of argument are prerequisite to tertiary students’ satisfactory performance in both basic and applied science. These skills are unlikely to be acquired effectively at university level without any earlier background on scientific reasoning with argument.

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de aniversario

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de aniversario: “argumentación en el salón de clase”

Argumentation in texts from a teacher education journal: An exercise of analysis based upon the Bakhtinian concepts of genre and social language Isabel Martins1

Abstract In this paper we analyse argumentation patterns present in a set of texts that were published in an electronic Brazilian science teacher education journal (www.cienciaemtela.nutes.ufrj.br). As the texts submitted to the journal differ regarding to format and characteristics of authorship, our corpus involves research reports, essays and recounts of didactic experiences written by scientists, science education researchers, school teachers, popular science professionals and informal setting educators. Based upon a Bakhtinian theoretical framework that emphasises the historical and social character of discursive production, our analyses selected genre and social language as main analytical categories. Argumentation was characterized as in terms of relationships between utterance and features of the social activities and discursive practices they relate to. The analysis described the texts with respect to theme, compositional structure and style and identified discursive markers broadly related to the category of language such as (i) the way the author presents him/herself in the text, (ii) the ways the authors represent and relates to their readers (iii) references made about the conceptual domain discussed in the texts. Results show that several texts share thematic choices and adopt a stance in which teachers’ autonomy is valued. Evidences of authors’ different socio-conceptual perspectives are more clearly revealed by features in style and compositional structure of texts. For instance, issues of authority are revealed by the status given to methodological considerations, by the ways through which citations are incorporated in the literature reviews and by the description of what counts as a result. Finally, through the examination of the patterns of argumentation more typically present in the texts, we discuss obstacles to as well as possibilities of dialogue and mutual appreciation of contributions made by different author profiles.

KEYWORDS: social language, argumentation, genre, scientific text, teacher education journal

CONTEXT AND MOTIVATIONS In this paper we analyse argumentation in a set of texts that were published in an electronic Brazilian science teacher education journal.1 This analytical effort is framed in the context of a broader piece of research that investigates issues concerning authorship and reading of texts published in this journal.

As the texts submitted to the journal differ regarding to format and characteristics of authorship, our corpus involves research reports, essays and recounts of didactic experiences written by scientists, science education researchers, school teachers, popular science professionals and informal setting educators. Working from a Bakhtinian perspective, we consider texts written by different authors as inextricably linked

Ciência em Tela is published in Portuguese and is available at www.cienciaemtela.nutes.ufrj.br

1

* UFRJ – Federal University of Rio de Janeiro, Brazil.

E-mail: isabelmartins@ufrj.br

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to the contexts of discursive activity they take part in. A first hypothesis is that texts written from different social places reflect different stances towards teacher education, in particular, about aspects such as the relevance of educational research and its potential contributions to teaching, the possibility of integrating actions both in formal and informal education spheres, and evaluations of teachers’ formative needs. Another hypothesis, coherent with the idea that dialogism is inherent to language (Bakhtin, 1986), is that texts not only want to say something which is meaningful to teachers, but also have the school teacher as their main interlocutor.

This means that, through their texts, authors, on the one hand, update and respond to previous utterances concerning the discursive sphere of teacher education and, on the other hand, anticipate new utterances to follow in the chain of communication with teachers. The recognition that communication does not happen in a vacuum, expressed in the form of these two hypotheses, approximates us from the issue of argumentation and of the authors who have sought inspiration Bakhtins’s work to discuss it. After considering their speeducación química •

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cific contribution we propose a scheme to operationalise some of the discursive categories proposed by Bakhtin into a descriptive and exploratory analysis of the argumentative dimension in a subset of the texts submitted to the first issue of the journal. The relevance of the investigation is based upon the assumption that knowledge about the differences and similarities between arguments typically associated to different spheres of communication may not only help mutual appreciation of points of view but also the deconstruction of stereotypes and preconceptions different groups of science educators hold about one another.

THEORETICAL FRAMEWORK Bakhtin and argumentation Although Bakhtin does not refer explicitly to argumentation as such, researchers from different fields of knowledge have, increasingly, turned to his work in order to seek for relevant concepts to understand that complex process. Examples, drawn from different fields of knowledge, involve: considerations about ideology and dialogism in a problematisation of the roles of sender and receiver, making it possible to go beyond both communicative and rhetorical dimensions in the pursuit of more ethical argumentation practices, for instance in advertisement (Farbiarz, 2003); characterisations of differences between argumentative styles in academic debates in mainland China and Taiwan based upon analyses of how ‘reported speech’ is woven into scholars’ texts (Yu and Wen, 2004); references to Ducrot’s interpretations of the Bakhtinian concept of polyphony (1987), which led to a theory of argumentation in language, in educational and linguistic research. In this paper we take a similar route. We start by examining Bakhtin’s ideas about dialogism (Bakhtin 1986) to demonstrate its aptness to tackle the issue of argumentation.

We then turn to Goulart’s interpretation of the essentially argumentative nature of the utterance and to her suggestion of how categories like genre and social language might throw light on the issue of argumentation (Goulart, 2007).

In his account of the socio-ideological dynamics of language, Bakhtin states that when a person enunciates, he/she does not wish for a passive comprehension which would solely lead to the repetition of his/her saying. On the contrary, he/ she seeks for responses that reveal adhesion, agreement or objection to his utterances. Thus, the speaker assesses his/her interlocutor and the importance that both have in the discursive situation in question, in order to shape his/her own discourse (Cohen and Martins 2008).

Goulart’s argument (2007) rests on the assumption that a Bakhtinian conception of language would allow the assertion that “to utter (or to enunciate) is to argue”, based on two main premises. The first is that language’s argumentative nature is inherent to the dialogical principle given that all utterances, understood as links in the infinite chain of speech communication of a particular sphere, are always intentionally addressed to another person. The second premise equates utabril de 2009

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terances to actions upon others, which means that they are more than statements which indicate understanding, questions or answers (Goulart, 2007). Thus, our choices for words and the structure of utterances are not only dependent on the social situations, immediate and remote, that we find ourselves in, but also oriented toward the interlocutor. Moreover, according to Bakhtin (1986) ideological transformations can be understood as the tension and dispute established internally between the different points of view in utterances exchanged between interlocutors.

Goulart (2007) also reminds us that, according to Bakhtin, utterances reflect specific conditions and purposes of each social sphere of communication through three main aspects: thematic content, compositional content and style. These would be related to the formation of genres. Inherently related to the social fields of human activity and to the intentions of speakers, genres are forms of social action. Following Bakhtin, she relates the concept of genre to that of social language. For him, the stratification of language in genres is connected to the professional stratification of language, defined as social language. In other words a social language corresponds to points of view about the world, forms of its verbal interpretation, object, semantic and axiological perspectives (Goulart, 2007).

Another important Bakhtinian concept that can be explored in connection with that of social language in our analyses is that of social horizon. According to Bakhtin each person has a social horizon that orients comprehension of events and interlocutors and which is impregnated both by features of the social place and characteristics of the audience, even if a potential one. Meaning making entails marks of these social conditions. Also, the dominance of one meaning over another is produced in the process of enunciation itself. Therefore, in our analyses, considerations about authors’ social horizon are important in as much as they reveal relevant aspects for understanding the argumentative patterns in the texts of the different science educators who contributed to the journal, namely, how they present themselves to their audience, how they represent this audience in their discourse and how they signify the discursive practice of writing for publication. Social horizon (and social group) are dated constructs, that is, they depend on dependent on particular features concerning time and space. This is particularly important because those constructs are responsible for the introduction of both conceptual and material objects, which will originate not only signs but also the value attributed to their content, in a given social practice (Elichirigoity, 2007, p. 105). From this perspective we may understand the different meanings that publications may presently have for our groups of science educators and speculate about the possibility of them creating new meanings for and new discursive stances towards writing for publication.

Such considerations about the nature of the utterance and its argumentative dimension led us to operationalise our analyses by means of the Bakhtinian categories genre and social de aniversario

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language. Moreover, the category social horizon was also mobilised based upon the recognition that specific professional profiles of science educators may play a role in the forms of argumentation in their texts. Thus, for the purpose of the analysis, argumentation will be construed as concerning stabilised patterns textual organisation, which are typical of socioconceptual spheres of (professional) activity and specifically addressed to an audience. We expect this theoretical stance help problematise argumentation’s discursive dimension and be complementary to other approaches which explore, for example, formal, cognitive or conceptual aspects of argumentation in science education (Erduran and Jiménez-Aleixandre, 2007; Simon, 2008; Driver, Newton and Osborne, 2000; Villani and Nascimento, 2003; Kuhn, 1991).

METHODOLOGY The empirical scenario Ciência em Tela is an online science teacher education journal that publishes texts in a variety of formats which include research reports, critical essays, description of didactic experiences and curriculum innovations, and recounts of development and evaluation of teaching materials in five thematic sections. They are: “Contemporary science”; “Research in science education”; “Popular science and informal educational settings”; “School and society” and; “In the classroom”. The journal also receives contributions in the form of reviews of educational materials (books, videos, software, etc.) and abstracts of theses and dissertations. Authors and referees for the journal come from different professional backgrounds and may be natural and biomedical scientists involved in basic research, researchers in science education, science popularisation professionals (e.g. journalists), educators in informal educational settings (e.g. museums and science centres) as well as primary and secondary school teachers. The main novelty, however, concerns the request for school teachers’ evaluation reports, which not only provide authors with an early feed-back from their target audience but also value and legitimate readings that are more strongly representative and identified with the practising teacher’s points of view.

Such variety in presentation format, content and contributors’ profile attend to two major issues. Firstly, it acknowledges the fact that relevant knowledge for school science takes different shapes and is produced in different spheres by different professionals. Secondly it helps create legitimate spaces of interaction between members of groups of science educators who have few opportunities to interact outside situations where their attitudes to one another are almost predetermined by, or encoded in, their social role. The intention of the journal’s editors was to foster mutual appreciation of contributions generated by different science educators and, maybe in the long run, help bring people together to integrate actions developed in both formal and informal educational settings such as universities, schools, museums and science centres, non-governmental organisations.

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This proposal is, nonetheless, far from unproblematic as a Bakhtinian perspective on language emphasises the interdependency between social horizons and text production.

Therefore in our analyses we explore the hypothesis that texts will reflect aspects of authors’ (un)familiarity with text genres related to academic communication, their motivations to write to a teacher education journal and their perceptions on teachers’ formative needs. In other words we expect that texts will reflect different aspects of the social/discursive practices author(s) take part in. In particular we wish to investigate the argumentative character of their texts and relate them to aspects of authors’ social practices.

The corpus and (some of) its social conditions of production In this paper we present an analysis of a subset of nine, out of the 14 texts, which were submitted to the first issue of the journal, by invitation. The invite described the journal as an innovative initiative and explained its editorial policy, in particular the involvement of school teachers as referees, and suggested a specific text format (research report, essay or recount of didactic experience) leaving theme choice free. It also asked authors to sign an informed consent form, in which they gave permission for the researcher to analyse their written materials submitted to the journal. All correspondence was electronic. The texts selected for analysis were authored by two scientists, two educators who work in informal settings (hereafter referred to as informal educators), three researchers in science education and two school teachers, and treated a variety of science education related topics.

Research questions By framing the analyses on the exploration of argumentation in different authors’ discourse as based upon the categories of genre and social language, we emphasise aspects concerning discursive intention, theme, composition and addressivity.2 ——To what extent do authors’ utterances relate to stabilised forms of argument typically present in the professional discourse (social language) that corresponds to the author’s social group?

——Is the argumentative character of utterances in texts written by science educators for publication in a teacher education journal made evident by a description of their generic features?

Considering the degree of uniqueness of the discursive setting in which texts originate and the scarcity of studies about the discourses of teacher education, it is possible to argue that, although the research questions do not aim at an explanatory account, they have value in themselves in as

Addressivity is the utterance’s character of being addressed to and constituted by the interlocutor.

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much as they seek for a description of relevant features in the understanding of member of different groups of science educators about (i) their perceived contribution for teacher education and (ii) their ideas of what teachers’ formative needs are, from a perspective that is both empirically based and theoretically sound.

Table 1. Analytical categories.

Social language

Reader

Principles and procedures of analysis Texts were read and interrogated from our own social place, namely that of a researcher in science education with previous professional experience in secondary science school teaching, and with respect to categories derived from our theoretical framework concerning characteristics of genres and of social languages involved in the discursive situation these texts relate to. This was done in the attempt to identify dimensions under which the argumentative dimensions of the texts became evident, namely (i) the social nature of the utterance/genre and (ii) the dialogical principle. This was done under four main dimensions which related to aspects of the interlocutors involved in the texts (authors and readers), the conceptual domain discussed in the text and its generic features as outlined in Table 1.

This analytical framing sought to operationalise some parameters that were considered constitutive of social languages by identifying discursive features that can be linked to different professional fields of activity of the authors. According to Bakhtin, elements of a given social language can be integrated in genres (Bakhtin, 1991; Goulart, 2007). In other words participating in a discursive community means to be able to recognise and use a social language and speech genres. In our case we wish to identify aspects of social languages and genres wich were mobilised by the authors. The recognition of the social language was made operational through broad considerations about the ways authors presented themselves, how they represented and addressed their readers and how they described the conceptual domain treated in their texts. Furthermore, and following the relationships between genre and social language, we analysed all texts in terms of their generic features. In doing so, we were attentive to the constraints implied, and potentially imposed, by the suggestion made to authors to write a given text type when the invitation was made. However, we did not assume that the texts were exemplars of one genre or another and paid special attention to the ways descriptions available for each of the formats were interpreted and textually realised by the authors. Therefore, the purpose of mobilising categories related to genre in the analysis was to understand relevant aspects of texts as socially constrained productions, not simply classify them as being one type or another.

Other factors which were taken in consideration during the analysis are the relationships between the texts and (i) the demands of the discursive situation that circumscribed the production of the text submitted to the journal, in particular, the nature of the invite and the understanding of the journal’s agenda; (ii) aspects of the social practices in which abril de 2009

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Author

Conceptual domain

Genre

– Personal or impersonal stance.

– Approach (e.g. problematisation, prescription etc.).

– References to specific environments, procedures, events etc. related to a professional practice.

– Assumptions about readers’ previous knowledge.

– References to readers’ familiar contexts.

– Forms of addressivity.

– Ontological assumptions.

– Epistemological considerations.

– Values and axiological orientations.

– Methodologies of interpretation and inquiry.

– Ways for communicating ideas.

– Theme: thematic patterns, framing, inference bases.

– Compositional structure: organisation, division in sections, graphics, length.

– Style: linguistic features (lexical, syntactical).

authors participate and that lead to different degrees of familiarity with (academic) writing and; (iii) the nature of the debates and the access to peer interlocutors established in their respective professional environments.

The analysis of the way the author represented him/herself in the text was based upon the examination of references to his/her own professional and/or academic history, as revealed in a short (auto)biographical presentation that accompanies every text for publication, as well as the identification of a personal or impersonal stance adopted in writing. Such elements helped us to discuss how authors locate themselves with respect to the field of knowledge (e.g. specialist or critic) as well as in relation to the reader (e.g. authority or partner).

The analysis of the ways the reader was represented involved the identification of assumptions made about previous knowledge by the reader and realised by explanations (included or absent) in the text, by the amount of detail in the description of contexts and procedures and by textual markers of addressivity such as direct questioning, dialogue, inquiry and persuasion. Moreover, we were attentive to the kinds of discursive activity that the text instigated readers to adopt as, for instance, to receive/acquire information, to reflect upon a given topic or to construct arguments and positions.

References to the conceptual domain were analysed in terms of (i) the ontology of objects and events which were singled out as main topics in the text; (ii) of epistemological considerations concerning legitimated ways of knowing and founding reasons for reliability; (iii) axiological dimensions concerning values and moral; (iv) methodologies, that is, a description and study of the ways inquiry is framed and conducted and; (vi) consideration about the means and purposes of communication within and outside the peer community. de aniversario

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Our interest in argumentation led us to pay close attention to the bases upon which ideas put forward by the texts were founded (e.g. empirical evidence, authoritative statements, references to theories) as well as their textual realisations (e.g. citations, paraphrases, statistical data etc.).

The analysis of the generic features involved the identification of theme, compositional structure and style, for each of the texts. Each one of the three categories was broken down in a number of subcategories so as to guide our analysis more precisely and to provide us with a description of each of the text in terms of its generic features. Theme relates to a specific thematic patterns associated to a given subject and to distinctive ways of framing it, concerning issues which are considered pertinent, or not, and the degree of reliability and completeness of approaches adopted in their discussion (Costa Val, 2003). In the case of the text types we analysed, theme concerns topics related to: (i) teaching and teacher training (e.g. subject matter, methodology, assessment, classroom management, knowledge of contemporary science, educational research trends and results etc.); (ii) education (e.g. objectives, curriculum, learning, policy etc.); (iv) science (e.g. content, interplay theory/evidence, method, reliability, results etc.); (iii) society (attitudes, decision making, funding etc.); (v) technology (e.g. applications, artefacts, etc.). Theme also entails relevant historical and epistemological aspects, especially those concerning means used to justify inferences and conclusions (e.g. analogy, experimental evidence, personal or collective experience, induction, deduction). Compositional structure has to do with typical formats of organisation of a given text. In the case of manuscripts to be published in an education journal they involve considerations about length, division of the text in sections, lay-out, use of graphics, presence of identifiable structures of academic texts (e.g. abstract, literature review, methodology and references) or didactic materials (e.g. questions, suggestions for further reading). Finally, we signified style as concerning choices of linguistic resources, both lexical and syntactical, which included: the use of jargon, technical terms and special expressions; choices for verbal modes and tenses (e.g. imperatives) and; the presence of syntactical structures such as grammatical metaphors. They were documented and discussed in terms of their relationships at different levels in the text (e.g. clause, paragraph, section). In the analysis we sought, specifically, for patterns associated with different discursive practices and discourses (everyday, educational and scientific) such as description, explanation, narrative, critique, analysis, prescription, dialogue, exposition, recapitulation, evaluation.

These parameters were not, of course, identified in all texts. They served the purpose of basic principles that guided our readings. Finally, it is necessary to say that, although there appears to be a suggestion that textual aspects are only pertinent for genre analysis, the analytical framing is realised through textual analysis. This means that inferences about representations of authors, readers and conceptual domain were based upon the interpretation of strands of text. In oth-

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er words, they were identified and discussed in terms of recognisable textual features related to style and compositional structure such as, for instance, use of lexicon and lay-out.

ANALYSIS We start by presenting a summary of the texts selected for analysis and later focus on specific questions concerning generic features and the broad indicators of social languages present in the texts.

Food safety of genetically modified organisms This essay was written by a female professional researcher who holds both undergraduate and MSc degrees in Chemical Engineering and a PhD in Biochemistry, currently working at a state funded research institution. It starts by stating the role of biotechnology in improving quality and increasing availability of food, especially through recombinant DNA technology. From this conceptual framework, she defines food safety in terms of relevant concepts, like substantial equivalent. She goes on to explain aspects involved in the adequately labelling of genetically modified foods, such as the reliability of different techniques for testing and both national and world-wide legislation demands. She finishes the text stating that, differently to other industrial sectors which develop according to market demands, developments in the agricultural and cattle-raising industry must also be bound to the necessity of providing the general public with scientifically sound information. The text is written in an impersonal style, includes technical terms and explanations that presuppose specialised knowledge in Biology and includes an extensive and up-to-date bibliography in English. It does not establish any explicit relationships between the subject and the school curriculum or classroom practice.

Current trends in nuclear weapon projects This essay was written by a male university professor and senior member of scientific institutions in Brazil and abroad. He trained as an engineer, obtained a PhD in Nuclear Physics and senior research fellowships in Condensed Matter Physics in international universities research centres. At the time he wrote the text he also taught at initial physics teacher education programmes. His text contains an abstract which serves the role of introduction and contextualisation of the discussion he proposes about the possible growth of nuclear weapon arsenals all over the world. The text starts with references to the destructive power of the Hiroshima and Nagasaki bombs. He mentions initiatives of the international community to control the proliferation of military nuclear arsenals and the (little) impact they had on the political agenda of different countries. The author mentions the weakened role of the United Nations in these matters and the inefficacy of international economical embargoes as a coercion measure over countries which have low HDIs (human development index). The text includes graphical data that compare, for different nations, their Human Development Index, the amounts educación química •

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which have been invested in research and development and information about the year they started nuclear tests. The conclusion is that, as there are no great technical impediments for a number of nations to acquire the necessary knowhow to produce nuclear weapons, a new legal world order that includes countries which were not signatories of the 1968 non-proliferation and that assures their right to autonomy in pacific use of nuclear technologies and, at the same time, guarantees universal elimination of nuclear weapons. The text construes its subject as a science related matter with public concern. It is written in an impersonal and formal style. Passive voice is often used, but there is very little usage of specialised language. Data presented is linked to reliable sources and conclusions are argued on the basis of statistical, historical and sociological information. The text does not explore the implications of the discussion for science education.

Sexuality and teenage pregnancy: opening up perspectives This recount of experience was written by a female educator who has been responsible for a number of educational projects in non-governmental organisations as well as in extramural university courses. She holds two undergraduate degrees, in History and Journalism, an MA in Educational Technology and, when the text was submitted, was doing a PhD in Social Medicine while carrying on with her professional activity. Her text starts with a personal and chronological account of her experience as an educator in informal settings that leads to the statement of the text’s main goal, that is, to show what she has learned about sexuality and gender through these professional experiences. She starts by portraying reasons why a girl becomes pregnant as complex and related to matters which are psychological (the desire to be unconditionally loved by a child), sociological (the lack of professional perspectives in a deprived economy) and anthropological (a ritual of passage from childhood to adult life).

Another layer of complexity is brought by references to the underestimation of questions concerning teenage fathers, such as the reasons they are in general unwilling to wear condoms and the impact that pregnancy has on their lives. The text finishes with a statement reflecting the author’s strong personal conviction that the questions discussed should help broaden the scope of health educators’ agenda concerning teenage sexuality. The text mixes stretches of personal narrative with academic formulations in specialised language (e.g. ‘hegemonic masculinity’, ‘androcentric order’). Many of these terms are explained in footnotes through quotations and paraphrases of research papers and books. Many claims are based upon the authority of personal experience. The pronoun ‘we’ is often used to indicate that the authors includes herself in the group of educators to whom she writes.

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Can we learn science by playing or is science a game? Reflections and (more) challenges for the science teacher This recount of experience was written by a female Biologist Educator who has an MA in Education and that has worked as an environmental educator in both schools and community projects. At the time she wrote the text she was doing PhD in Public Health and continuing her professional activity as an educator in science museums and science centres. Her text presents the motivations for developing ludic educational materials and strategies in a science museum, describes the artefacts developed and includes a video, photographs and an evaluation of their reception by students and teachers in the museum. The proposals are coherent with guidelines for developing popular science activities elaborated by the museum’s educational centre and founded in theoretical considerations about the nature of science and about the connections between ludicty, interactivity and learning. These are realised by means of citations and paraphrases of cognitive psychologists. The text is written in personal style with frequent references to individual and collective aspects of the elaboration of the materials. In some passages of the text, possible criticisms are anticipated and responded by the writer, which clearly shows that the text is addressed to an interlocutor who is capable of raising conceptual objections concerning a possible naivety or simplification in the way scientists are portrayed. Claims made about the quality of the reception by school visitors are based upon references to practical experience, that is, a kind of argument that is frequently present in science teachers’ texts (Cohen and Martins, 2008).

Lessons in Botanics: The literary text in science education This research report was written by a former school Biology teacher who acquired an MA and a PhD in Education while she worked in schools. At the time she wrote her text, which was based on her PhD research, she had just been started a new job as a university lecturer at a well reputed Faculty of Education where she now teaches Didactics of Biology and Biology Teaching Practice. The text describes “the theoretical and methodological bases, analyses and results of a study that investigated connections between literary and scientific languages, their relationships with teaching and learning and the role of literature in school science leaning”. The text starts with the presentation of the literary text, followed by theoretical considerations about the role of language in leaning which were based upon Bakhtinian categories. She goes on describing the empirical scenario, how and which data was gathered as well as categories used in the analysis. The author included information about the staging of a play by students, as well as excerpts of texts and examples of botanic plates constructed by the students. Both are discussed in terms of theoretical categories so as to back up her conclusions about the importance of literature in triggering curiosity and stimulating both teacher and students to search for new inde aniversario

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formation and to elaborate new readings. The author constructed a text in which the canonical sections of a human science paper were weaved in a narrative of the investigation as it developed in the empirical setting. The style is formal.

All theoretical constructs (e.g. exotopy, epistemological obstacle) were fully explained in the text.

A picture to be read...

This recount of experience was written by a science educator researcher who has a Physics undergraduate degree, and an MA and a PhD in Education. She is a university associate professor who teachers Didactics of Physics and an experienced supervisor of science education graduate students. The text contains an epigraph which is a quotation from the lyrics of a Brazilian popular song about possible relationships between science and art. The author starts with considerations about the act of reading and goes on to state the main goal of the text, namely, to describe her personal reading of a picture.

The author identifies the painter, her style, the historical context in which she lived and worked, and her views on science, includes a figure showing the painting in question and proposes an interpretation of characters and situations depicted, making parallels between compositional elements in the picture and conceptual relationships in science. The style of the text is formal though there are, at some points, allusions to the oral mode. The text also includes intertexts with other popular Brazilian songs. Coherently with the perspective adopted, the authors’ interpretation is presented and justified in terms of cultural background and personal imagination.

Learning: the usual questions, research and teaching This research report was written by a female senior science education researcher who has an undergraduate degree in Cognitive Psychology, a Masters degree in Psychology and a PhD in Education. She is also an associate university professor. Her text started by presenting her manuscript as yet another text that is addressed to teachers and which deals with the issue of learning. After problematising relationships between teaching and learning, she presents a discussion of traditional views on learning associated to three different spheres: the school, science education research and psychology. She then announces a future text which will follow this one in publication where ruptures with traditional views on learning will be presented and contemporary perspectives will be discussed. The text contextualises views of learning that circulate in each of the three spheres by means of explanations of their premises and references to theoreticians. According to the author the main objective of the text is to generate a reflection about learning, not to offer ready–made answers. The text has an abstract and is divided into thematic sections. The introduction includes a meta-text which describes the contents of the following sections. The style is formal and dialogical in the sense that a number of rhetorical questions, addressing common concerns expressed by teachers about the subject, are included in the text.

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Physics and equilibrium This recount of experience was written by a female experienced Physics school teacher who holds a Diploma in Education. She has both participated and taught in institutional inservice teacher education projects. Her text describes experiences gathered along 30 years of practice which are described as fully committed to the ideal of lifelong learning.

Starting by the recognition that students often dislike Physics, the author explains her involvement with a professional development project as an opportunity to face the challenge of changing students’ attitudes towards this school subject. She describes pieces of research aimed at developing new teaching proposals and how they were evaluated and modified. She includes quotes of published material she co-authored with other project members and citations of science education literature that explain theoretical and methodological approaches adopted by her group (e.g. STS). The text also includes a video showing the author’s participation in a national TV programme designed for broadcasting in schools, photographs of the materials developed being used by students, descriptions of specific activities concerning the topic of equilibrium developed as part of the work of the project and references to museum visits which were integrated in didactic sequences. Finally, she mentions parameters for evaluation of the didactic experiences such as the observation of students’ engagement in activities. There is an alternation in the use of the pronouns ‘I’ and ‘we’ to signify individual and collective dimensions of her practice. The text mixes formal and informal styles and is clearly addressed to peers. In a few passages there are explicit references to ideas, contexts and experiences which can be easily recognised by practising teachers.

The Internet as an integral teaching activity This recount of experience was written by an experienced male Biology school teacher who had an undergraduate Biology degree and also worked as software consultant. He holds a Diploma in Science Education and has worked as mentor of beginning teachers. His text begins with an assertion about a view, which he considers to be consensual amongst school teachers, that learning science is hard for students. This is followed by the proposition that computer mediated activities can not only increase students’ motivation but also help teachers. The author describes an internet site which he has developed and used as a didactic tool. He justifies design choices based upon orientations from Cognitive Psychology and describes an activity involving online search for information about problems concerning rubbish generated by consumption of industrialised products which culminated with the design of an online newspaper by students. The text ends with comments made by the author about students’ accomplishments, especially concerning the development of a critical stance towards the question of waste in society. The text is written in the first person of the singular. Throughout the text, the author emphasises the simplicity of the proposal and educación química •

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the processual nature of learning. He gives sufficient detail about the development of the activity, in particular, about operational demands generated by the task (e.g. where the internet site created by students can be hosted for free).

Generic features present in texts The descriptions presented earlier show that, in general, all texts addressed topics which are not traditionally dealt with in initial teacher training syllabi. They emphasised: (i) sociopolitical dimensions of science related issues which are object of public concern (e.g. the proliferation of nuclear weapon arsenals, food safety of genetically modified organisms, the increasing numbers of teenage pregnancies); (ii) relationships between science and art (working with literary texts and theatre plays in science classrooms); (iii) aspects of the nature of science (the nature of scientific activity, the role of the scientist). Only the school teachers mentioned topics traditionally related to the school curriculum in their texts but as illustrations or contexts of exemplification of their main idea: one dealt with the concept of equilibrium as a nuclear theme in the physics curriculum while the other proposed internet based research as a strategy to motivate students illustrated by an example involving the issue of waste. Another exception was the science educator who chose to discuss learning.

The compositional structure followed a similar pattern in many of the texts. Seven out of the nine texts selected presented an abstract. Only the science educator’s text was organised in sections identified with the structure of the typical Human Sciences academic text (introduction, theoretical framework, methodology etc) though the actual headings alluded to contents of the theatrical play used in the activity.

With the exception of the texts by the two school teachers, one researcher in science education and one informal educator, all were written in the first person of the plural. We interpreted this choice for the pronoun ‘we’ in two different ways: as a conformation to compositional features of the academic genre and as an indication that, for the purpose of what was in question, the author included him/herself in the same social group of readers. An interesting difference in the texts concerns the use of visual representations. Graphs and tables were present in the scientists’ text as actual pieces of information to be read, which were not replicated in the written text. However, the images (mostly photographs) in the science educator’s research report, in both school teachers’ recounts of experience and in the recount by one informal educator, played different roles. They attested the actual realisation of the experience, served as illustrations and added to what had already been said in the written text. They also provided some kind of evidence about claims made in the text, especially those which emphasised increased engagement of students’ in learning activities.

As for style, we noticed both formal and informal writing in the same text, especially in school teachers’ and informal educators’ texts. Some of the texts were indeed quite heterogeneous, mixing everyday and elaborated forms of discourses. abril de 2009

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That can be an indication of the ways through which both school teachers and informal educators’ discourses are constituted by other interlocutors and attentive to the diversity of the real audience (Cohen and Martins, 2008), in this case, school teachers, academics in the editorial board and referees.

Furthermore, the dialogic dimension in these texts was made explicit in two main ways: by the citations and paraphrases of academic literature, which had an authoritative character and provided support for some of teachers’ stances, and by references to shared perspectives and recognisable situations from teaching practice. We have interpreted elements such as chronology and characterisation of people and events in the recounts of experience allude to the narrative genre.

In general, it is possible to say that differentiated choices for composition and styles depict author profiles that are more or less familiar with the social practice of writing academic texts and who present themselves as more or less implicated in teaching issues.

How do authors present themselves?

References to ways through which authors presented themselves were found in the 150 word autobiography demanded by the journal as well as in the texts. As one could expect from a more constrained kind of text production, the autobiographies followed a similar format and emphasised objective information about academic training, professional experience and current activities. On the other hand, in their texts, some authors included more detailed and qualified information.

Differently to the texts written by scientists and researchers in science education, school teachers’ and informal educators’ texts included personal presentations and explicit references to their academic training and contexts of professional activity. These references were textually realised in different ways.

In some cases, they were construed as an introduction to the text but also, very often, were part of the narrative structure.

One interesting example is the text of one informal educator which, in its introduction, contains chronological information about educational projects carried out under her coordination in non-governmental organisations as well as references to the direct contact made with large numbers of teachers and students during field work and to the development and products of her MA dissertation. This information was brought again along the text, providing a timeline which not only determined text organisation but also allowed readers to signify how the author’s understandings about questions concerning teenage sexuality became more complex and in need of investigations. Another example is found in the text of one school teacher who described aspects of her professional life, giving particular emphasis on her participation in teacher training programmes and, in this way, revealed a great deal of investment in her own professional development.

Texts written by scientists and science education researchers did not include direct or indirect textual marks of presentation except for the text of the science education researcher who reported a piece of research exploring relationships de aniversario

133

between literary and scientific languages. She made brief references to the part she played in the empirical scenario of the research reported in the text and included her doctoral thesis in the reference list.

The ways authors made explicit their position toward controversial issues raised in their texts, such as socio-scientific questions (e.g. controlling nuclear weapons), also revealed aspects of their discursive intention. Such positions were textually realised in different ways by different authors. For instance, it was the quality and the relationships established along the text by the scientist author between pieces of information concerning about food safety that supported her position concerning the need for more adequate labelling. In another of scientists’’ texts positioning were expressed though a more impersonal and authoritative use of the pronoun one to indicate indeterminacy (“one cannot conceive… one must recognise…”) and of the passive voice. For one informal educator, it was the reference, found in the concluding section of the text, to shared beliefs and collective agency in the definition of an agenda for school’s responsibilities to deal with aspects of teenage sexuality emphasised by the use of the pronoun ‘we’ (“we believe that the task to convince them…”; “questions that matter for us who work in education for health and citizenship...”).

Another way through which authors revealed aspects of their socio-conceptual horizon was through their portraits of teachers’ formative needs and of the role of didactic materials. We found an explicit preoccupation to tackle these issues in the texts by school teachers, researchers in science education and informal educators. For example, we found suggestions that teachers should widen their repertoire of didactical resources, descriptions of alternative educational materials (board games) and strategies (internet based research), and explorations of the relationships between art and science through dramatisation and picture viewing. On the other hand, scientists’ texts limited themselves to present information without initiating a discussion of the implications of this information for teaching. Nonetheless, in neither case we detected a prescriptive tone. In general, they tried to inform, describe possibilities of activities and to provide, to a greater or lesser extent, subsides for reflection in the classroom. This choice also reinforces a view in which their readers, that is, schoolteacher, are autonomous and selective.

How are readers represented in their texts?

Searching for textual markers that indicate how authors represented readers in their texts led us initially to the identification of the assumptions they made about readers’ interest in the subject. Both scientists and one informal educator assumed readers’ interest on the basis of the public importance of the theme. School teachers and one informal educator legitimised their choices in terms of assumptions about teachers’ perceptions on students’ lack of motivation, unfavourable attitudes and difficulties in learning science.

Although all texts include references to specialised vocab-

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de aniversario

ulary, these were more frequent in scientists’ texts. A great deal of previous specialist knowledge about science related subjects on the readers’ part which was assumed. Nonetheless, this knowledge was compatible with what is expected under the competences of a science teacher. In general, school teachers included explanations, paraphrases and citations to explain concepts mobilised in their texts. References to educational academic literature and related areas, such as Cognitive Psychology, were frequently made through literal citations or paraphrases in all texts, but the scientists’.

One another relevant aspect was the reference to contexts which were familiar to the reader. They were present in texts of informal educators in the form of comments about difficulties of approaching sexuality issues in the classroom, in the science education researcher account of the changes in the classroom dynamics that follow the introduction of alternative didactics resources, and in the informal educator perceptions of teachers’ expectations about a museum visit, which included paraphrases of questions commonly asked by teachers.

An analysis of the modes of addressivity in the texts suggested different kinds of discursive activity they stimulate in their readers. For instance, scientists’ texts did not present justifications of the pertinence and relevance of the main topic discussed to science teaching. They contained a number of definitions, declarative sentences and addressed the reader as people who must acquire information about a given subject.

In other texts readers were encouraged to reflect upon claims made through the presentation of alternative points of view (e.g. that teenage pregnancy is an issue that involves boys as much as girls) and of questions directed to the reader (“what if we thought that studying science is as fun as playing?”). Apart from the more dialogic orientation, texts by informal educators and school teachers made reference to concrete instances of classroom activity. In some of the texts it was possible to observe distinct addressivity marks, each one corresponding to a specific interlocutor. This can be illustrated by the following quotes take from the text by the informal educator who wrote about teenage pregnancy. The first one is a matterof-fact claim, impregnated of subjectivity, unjustified and written in plain simple language: “Right from the start of the project it became clear that for preventing STDs, AIDS and unwanted pregnancy in adolescence demands much more the distribution of condoms and the usual lessons on human reproductions in Biology or Science classes”. In the second excerpt, from the same text, the author paraphrases a well known researcher to back up her interpretation that teenage pregnancy may have acquired a different meaning in certain social groups: “Besides Heilborn [footnote] believes that, especially in groups with a lower social status, pregnancy may represent a ‘kind of resemantisation’ of the female gift that is conceded to men as part of the strategies for making the union concrete, taking the place of virginity, which is nowadays underrated.” The use of vocabulary, the style of sentence construction, the inclusion of a footnote with the full reference of the paper from where the educación química •

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quote was taken and the use of quotation marks suggests that academics may be the privileged interlocutors. Being somebody who is used to cross over boundaries between practitioners and academic communities,3 this informal educator reveals her ability to address both these interlocutors in her text. This choice may have been motivated by her awareness that the submission would be evaluated by a school teacher and an academic.

The texts also revealed diverse choices with respect to the ways conclusions and inferences were justified. Authoritative references to academic literature were present in nearly all texts, including those written by authors who were less familiar with the academic genre. Scientists were more likely to ground their conclusions in evidence gathered from trustworthy sources and reliable statistics. A similar choice was made by researchers in science education, another group for whom empirical investigation and qualitative analyses are part of their professional universe. Texts from these two author profiles, in general, included references to the bases of their claims (e.g. “graphs and tables show indicators…”; “comparisons between …”; “these observations provide evidence for …”).

On the contrary, texts written by school teachers and informal educators included evaluative comments and qualifications of ideas and experiences reported which were not backed up by data. For instance, claims such as “this report demonstrates the student’s discovery of…”; “the motivational aspect of different activities allowed a wider comprehension…”) that were often unsubstantiated. Different authors’ choices concerning the bases of authority of the claims made can also be interpreted as related to binding commitments to the conceptual domain as well as to expectations about the readers.

DISCUSSION AND FINAL REMARKS Our analyses suggest that textual marks present in the text can be interpreted as evidence of authors’ linkage to a given social place. These marks, which are more strongly evident in the compositional and stylistic features of the texts, suggest that different authors made particular claims, which were different with respect to their nature and to the bases of their justification. Scientists appeared to emphasise the commitment to the dissemination of scientifically sound information.

Likewise, researchers in science education also privileged the communication of research results. Authors in both groups made references to empirical data, qualitative or quantitative.

On the other hand, school teachers and informal educators gave more importance to the description of experiences grounded on their own professional practice. These differences may be partly due to the stylistic impositions of each of the genres that authors produced. For instance, a recount of

experience allows the inclusion of personal narratives whereas an essay tends to be more focussed on the discussion of a topic or of an author. Nevertheless, it is possible to establish relationships between features of these texts and the discursive practices in the different authors’ professional contexts.

Our analyses did not show, however, a one-to-one relationship between social place and the kinds of argument put forward. That is suggestive of what Bakhtin called plurilinguism (1981), that is, the possibility that a text may contain different social languages. This indicates an exciting prospect that discourses generated in one field of professional activity may cross its boundaries and find their ways into re-significations by other discursive communities.

The analysis also indicates similarities across texts, such as the valuation of topics which are not usually present in initial teacher training programmes and the absence of a prescriptive tone which emphasises school teachers’ autonomy. The recognition of these similarities and differences gives may help construct bases for the mutual appreciation of points of view elaborated in different social spheres.

The argumentative character of the utterances was perceived as a kind of “communicative action which has a contextual as well as intersubjective nature” (Cohen and Martins, 2007). They entail influences of the socio-historical discursive context they belong to, as exemplified by references to the educational contemporary debate (e.g. references to STS or to up-to-date statistics concerning human development indicators). The intersubjective dimension is made evident by choices concerning topic as well as compositional and stylistic choices that characterise different modes of addressivity.

These analyses can be extended through an exploration of two other categories proposed by Bakhtin, namely authoritative and the internally persuasive discourse, which differ with respect to the kind of argumentation they typically entail.

Based upon Bakhtin, Goulart (2007) claims that the force of arguments present in authoritative discourses (e.g. religion, politics and moral) rests upon values which are historically and hierarchically constructed, precludes persuasion and demands attitudes such as recognition and assimilation from interlocutors. On the other hand, internally persuasive discourses are strongly associated to the possibility of ideological transformations. They usually involve others’ discourses as much as our own in a productive and creative, though often conflicting and tense, process of construction of new meanings which based upon the consideration of other points of view and that leads to the construction of a discursive stance towards. It may be interesting to see whether or not we can find instances of such discourses and their relationships to the patterns of argument in the text.

Acknowledgements She was, at that time, doing her PhD while working as an educator is health education projects in disadvantaged communities.

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The author wishes to thank Renata Moebus for her help with the data collection and Maria Cristina Cohen for helpful comments about the analysis. CNPq (Brazilian Science and de aniversario

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Technology Research Council) is gratefully acknowledged for financial support.

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de aniversario: “argumentación en el salón de clase”

Competencias en el uso de pruebas en argumentación Beatriz Bravo,1 Blanca Puig 1 y María Pilar Jiménez-Aleixandre 1

Abstract (Competencies in the use of evidence in argumentation) The relevance of the competence in the use of scientific evidence in argumentation is discussed in the context of its prominence in PISA and policy. The paper outlines a proposal of two dimensions of the competence: (1) metaknowledge, or knowledge about the use of evidence, including nature of evidence, its role, and criteria for evaluating evidence; and (2) practice of the use of evidence, including the use of evidence in different contexts and the operations involved in it. The different elements in the proposal are discussed drawing from the literature, and particularly from the authors’ studies with two tasks set in socio-scientific contexts: evaluation of Watson’s claim about differences in intelligence between ‘races’, and decision about the ecological efficiency of eating secondary versus tertiary carnivore fish. The difficulties found, both in secondary school and in university students, point to the need to pay specific attention to this dimension of argumentation.

KEYWORDS: argumentation, scientific competence, metaknowlege, use of evidence

Las competencias científicas y el uso de pruebas: objetivos del trabajo Las competencias científicas están situándose en el primer plano de la investigación educativa, sobre todo debido a su utilización desde 1999 por la OCDE como eje en la evaluación internacional PISA (OCDE, 2006) y a la recomendación por la Unión Europea (UE, 2006) de una lista de compe­ tencias básicas como aprendizajes imprescindibles. Esta relevancia se refleja en los documentos curriculares de diferentes países, como España. ¿Cuál es el significado de competencia? ¿Representa algo nuevo?

En cuanto al significado, la definición de competencia según PISA es la capacidad de una persona “para reflexionar y aplicar sus conocimientos y experiencias a los problemas que plantea la vida real” (OCDE, 2006, p. 9). En el currículo de Galicia se define como la capacidad de poner en práctica de forma integrada en contextos y situaciones diversos los conocimientos, destrezas y actitudes. En nuestra opinión esta noción no es un mero cambio de término, sino que presenta dos novedades: a) la integración de saberes conceptuales, destrezas y actitudes, y b) el énfasis en la puesta en práctica o aplicación de lo aprendido a otros contextos. Esto implica una intención de superar, entre otros, dos problemas del aprendizaje (y la enseñanza) mostrados por la investigación educativa (e.g., Duschl y Grandy, 2008): la fragmentación y las dificul-

Departamento Didactica das Ciencias Experimentais. Av. Xoan XXIII s.n., Universidade de Santiago de Compostela, 15782 Santiago de Compostela, España.

Correos electrónicos: beatriz.bravo@rai.usc.es; blanca.puig@rai.usc.es; marilarj.aleixandre@usc.es

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tades en la transferencia o aplicación de lo aprendido a otros contextos.

De las competencias básicas nos interesa la competencia científica, denominada en los currículos de España ‘competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico’ (MEC, 2007). Utilizaremos ‘competencias científicas’ en plural, en referencia a las tres capacidades requeridas para su desarrollo que, como muestra el análisis comparativo de Cañas, Martín y Nieda (2007), son las mismas tanto en PISA (ver OCDE, 2006, p. 27) como en los currículos del MEC: 1) Identificar cuestiones científicas (investigables por parte de las ciencias) 2) Explicar fenómenos científicamente 3) Utilizar pruebas (evidence).

Aunque los efectos analíticos y de investigación educativa se traten por separado, está claro que existe una estrecha relación entre identificar cuestiones que pueden ser objeto de estudio por parte de las ciencias, explicar los fenómenos físicos y naturales por medio de modelos científicos (pues en nuestra opinión esta segunda competencia está muy relacionada con la modelización), y utilizar pruebas para, por ejemplo, evaluar modelos científicos.

En este trabajo se aborda la competencia en utilizar pruebas, estrechamente conectada con la evaluación del conocimiento y la argumentación, objeto de nuestro programa de investigación desde 1994. Nuestro objetivo es: proponer una caracterización de las dimensiones o componentes de la competencia de uso de pruebas, basada en la literatura y en las investigaciones de nuestro equipo, particularmente en datos de dos estudios sobre uso de pruebas en contextos científicos de relevancia social sobre ecología y genética. de aniversario

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En el segundo apartado se revisa la literatura sobre estas cuestiones, y en el tercero se discute nuestra caracterización de esta competencia y sus dimensiones, finalizando con las implicaciones educativas y para la investigación.

Argumentación, evaluación del conocimiento y uso de pruebas: marco teórico Podemos definir la argumentación sobre cuestiones científicas como la evaluación de enunciados de conocimiento a la luz de las pruebas disponibles, lo que requiere la coordinación entre datos y conclusiones. En otro trabajo (Jiménez-Aleixandre, 2008) se discute la centralidad de la evaluación del conocimiento en los procesos de argumentación y en los ambientes diseñados para promoverla. Esta evaluación se basa en las pruebas disponibles en cada momento, pues la aparición de nuevas pruebas o la reinterpretación de las existentes puede llevar a revisar la evaluación. De ahí que el uso de pruebas, parte de los procesos de argumentación, sea una de las competencias científicas básicas.

Utilizamos el término ‘prueba’ que es la traducción de evidence, pues en castellano ‘evidencia’ significa otra cosa, lo que no necesita ser probado. El Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española (DRAE) da distintas acepciones de ‘prueba’, y combinándolas (con algunos añadidos) podemos definirla como: observación, hecho, experimento, señal, muestra o razón con la que se pretende mostrar que un enunciado es cierto o que es falso. En el contexto de la argumentación, las pruebas son entendidas como datos de naturaleza empí­ rica o teórica que sirven para apoyar una conclusión. Desa­ rrollar una perspectiva adecuada sobre la naturaleza de la ciencia requiere entender cómo se generan y validan las pruebas científicas.

Uno de los trabajos de referencia sobre las pruebas es el de Gott y Duggan (1996), quienes proponen como instrumento para evaluar el aprendizaje procedimental en los trabajos prácticos una taxonomía de los ‘Conceptos de Prueba’ (Concepts of Evidence, CoE). Más que a las destrezas procedimentales, estos conceptos se refieren a las decisiones a tomar acerca, por ejemplo, de qué datos seleccionar, cómo seleccionarlos, etc. La taxonomía de Gott y Duggan se revela como una herramienta útil; por ejemplo Schalk (2008) la ha utilizado en el marco de investigaciones realizadas por el alumnado.

Aunque este artículo de Gott y Duggan se refiere a los trabajos prácticos y durante algún tiempo las pruebas han sido tratadas sobre todo en el marco de estos trabajos empíricos, la línea de estudio sobre la argumentación ha hecho recaer la atención sobre el uso de pruebas en el análisis de la información científica, en la evaluación de enunciados, sea o no en el contexto de laboratorio. En otras palabras, esas decisiones son operaciones necesarias no sólo para orientar las investigaciones en el contexto de trabajos prácticos, sino en general en la construcción del conocimiento científico, como muestra el trabajo de Tytler, Duggan y Gott (2001) que analiza la evaluación de enunciados. En nuestra opinión, la propuesta de estos autores, sobre los conceptos o dimensiones

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de las pruebas es interesante, pero no es específica del uso de pruebas, sino que incluye otras cuestiones que corresponderían a lo que, según PISA (OCDE, 2006), es la competencia de identificar cuestiones científicas, que incluye la capacidad de reconocer los rasgos característicos de una investigación. Podemos ilustrarlo con los ejemplos citados en PISA: qué elementos deben ser comparados, qué variables deberían modificarse o someterse a control, qué información complementaria se requiere o qué medidas han de adoptarse para recoger los datos que hacen al caso (OCDE, 2006, p. 31), que se corresponden con algunos de los CoE de Gott y Duggan.

Una segunda matización que cabría hacer a la propuesta inicial de Gott y Duggan es que sus CoE constituyen más bien requisitos para llevar a cabo una investigación y sólo hacen referencia a las pruebas empíricas, no a las de naturaleza teórica; sin embargo, en trabajos posteriores como el de Tytler et al. (2001) se incluyen también éstas. Cabe hacer notar que en el modelo de Toulmin (1958) utilizado como instrumento para analizar las estructuras de los argumentos, las justificaciones pueden corresponder a pruebas de naturaleza teórica, por ejemplo un modelo de transferencia de energía en el ecosistema. ¿Cómo se utilizan las pruebas en el contexto del aula y en la vida diaria? Mientras que en una investigación se elaboran las conclusiones a partir de los datos, en la evaluación de un enunciado científico el camino puede ser inverso. Es a este proceso inverso, de identificación de pruebas que apoyan o refutan un enunciado, al que se enfrenta la ciudadanía, por ejemplo en cuanto a informaciones en los medios de comu­ nicación. En la línea de investigación sobre argumentación acerca de cuestiones socio-científicas distintos trabajos analizan cómo evalúa el alumnado informaciones científicas. Kolstø (2001), en un estudio con alumnado de 16 años sobre los riesgos potenciales de las líneas de alta tensión, examinó la veracidad que atribuían a los enunciados, encontrando cuatro tipos de estrategias que podían combinarse: aceptación, evaluación usando indicadores de ‘fiabilidad’, aceptación de la autoridad de los investigadores o fuentes citadas, y evaluación de las fuentes en términos de neutralidad y de competencia.

Aunque las evaluaciones del alumnado estaban parcialmente basadas en las pruebas empíricas, tuvieron muy en cuenta informaciones superficiales, y Kolstø concluye que es necesario trabajar sobre la fiabilidad de distintas fuentes, en la perspectiva de una enseñanza de las ciencias para la ciudadanía. En un estudio sobre el determinismo biológico (Puig y JiménezAleixandre, en prensa) con alumnado de secundaria y universidad se ponen de manifiesto dificultades para identificar pruebas para refutar o probar unas declaraciones de James Watson afirmando que los negros eran genéticamente menos inteligentes que los blancos. La evaluación de pruebas es necesaria para la resolución de un dilema medioambiental, como la creación de plantas de acuicultura de especies carnívoras en el litoral gallego: Bravo y Jiménez-Aleixandre (en prensa) analizan respuestas a las preguntas ¿qué es más eficiente desde el punto de vista ecológico, alimentarse de espeeducación química •

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cies en niveles tróficos superiores o inferiores?, ¿en qué condiciones es la acuicultura una solución a la sobreexplotación de recursos pesqueros? Resolver este dilema requiere tanto apelar a datos empíricos, como aplicar los conceptos teóricos relevantes (flujo de energía, pirámide trófica) a una situación nueva. Dicho de otro modo, no sólo es necesario disponer de datos sino también saber utilizarlos en coordinación con la teoría. Estos estudios ilustran las dos dimensiones que, en nuestra opinión, forman parte de esta competencia: por un lado aspectos que se refieren al conocimiento sobre las pruebas, como la fiabilidad de las fuentes, explorada por Kolstø, y por otro, la práctica de usar pruebas, en nuestros propios estudios.

Utilizar pruebas científicas requiere identificar la información relevante, seleccionarla y llegar a conclusiones basadas en pruebas, es decir argumentar (Kuhn, 1992; Osborne et al., 2001). Uno de los objetivos de la enseñanza de las ciencias reflejado en el currículo español (y en los de otros países) es “adoptar aptitudes críticas fundamentadas en el conocimiento para analizar, individualmente o en grupo, cuestiones científicas o tecnológicas” (MEC, 2007, p. 693). Para lograrlo es necesario diseñar ambientes de aprendizaje y tareas que demanden la práctica de estas competencias por parte del alumnado. Desde la investigación en didáctica se ha abordado de distinta forma cómo desarrollar la competencia de usar pruebas: Gott y Duggan (1996), por ejemplo, consideran que la comprensión de las pruebas requiere un cuerpo de conocimiento que debe enseñarse explícitamente; por otra parte, autores como Sandoval y Millwood (2008) centran su análisis en el desarrollo a través de la práctica. Entendemos que ambas dimensiones son necesarias, ya que para poder utilizar de

forma adecuada las pruebas es necesario tanto un conocimiento básico como un contexto adecuado donde a través de la participación discursiva el alumno aprenda a construir argumentos apoyados en ellas.

Una propuesta de dimensiones en la competencia de uso de pruebas En nuestra opinión pueden distinguirse dos dimensiones en la competencia de uso de pruebas: una relacionada con el metaconocimiento o conocimiento sobre el uso de pruebas, que se correspondería más con los CoE de Gott y Duggan (1996) y otra relacionada con la práctica o desempeño del uso de pruebas. Ambas están interrelacionadas, desarrollándose conjuntamente. Así, en cuanto al metaconocimiento, es necesario entender cuál es el papel de las pruebas para poder integrar aquellas que son relevantes dentro de una explicación, y al mismo tiempo es preciso dominar las diferentes operaciones o procesos implicados en la puesta en práctica del uso de pruebas. Las dimensiones de la propuesta, que se detallan a continuación, en conexión con los trabajos sobre esta cuestión, se representan en la figura 1.

Metaconocimiento sobre uso de pruebas La primera dimensión puede definirse como el conocimiento sobre el uso de pruebas, y podemos decir que forma parte de lo que sería la comprensión e imagen del alumnado sobre la naturaleza de la ciencia. Para elaborar nuestra propuesta de los distintos aspectos que comprende este conocimiento, nos hemos basado en el esquema propuesto por Schwarz et al. (en prensa) para otra competencia, la de uso de modelos, adaptándolo al uso de pruebas. Puede decirse que este cono-

Figura 1. Propuesta de dimensiones en la competencia de uso de pruebas.

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cimiento sobre las pruebas y su uso comprende tres aspectos: 1) la naturaleza de las pruebas; 2) su función, y 3) los criterios que se utilizan para evaluarlas.

pacidad comprende dos aspectos, muy interrelacionados entre sí: 1) el uso de pruebas en distintos contextos; 2) las operaciones que forman parte de este desempeño.

1) Naturaleza de las pruebas: respondería a la pregunta ¿Qué se entiende por prueba?

1) Uso de pruebas en distintos contextos de construcción del conocimiento: este aspecto guarda relación con el papel de las pruebas, que forma parte de la primera dimensión.

En el apartado anterior hemos propuesto una definición, siguiendo el DRAE, como observación, hecho, experimento, señal, muestra o razón, propuesta en la que se incluyen pruebas tanto de naturaleza empírica como teórica. Esta inclusión es importante, puesto que, como muestra el estudio de Sandoval y Millwood (2008), la mayoría de los estudiantes de secundaria preguntados por “la mejor manera de convencer a alguien de alguna cuestión de ciencias”, citaban algún tipo de pruebas empíricas y sólo una pequeña proporción aludían a una explicación de carácter teórico. Otra cuestión relevante es tener en cuenta que en la definición de argumentación nos referimos a las pruebas disponibles, ya que o bien las mismas pruebas pueden ser interpretadas de distintas formas, como ocurrió con los fósiles que son interpretados de una manera según los modelos fijistas y de otra en el modelo de evolución de Darwin y Wallace; o bien pueden aparecer pruebas nuevas que lleven a la modificación de una conclusión, como ha ocurrido en las últimas décadas con el modelo de herencia genética que ha llevado a modificaciones en la propia definición de gen.

2) Función de las pruebas: respondería a la pregunta ¿Para qué sirven las pruebas?

En la definición de prueba del apartado anterior se indica que sirven para mostrar que un enunciado es cierto o que es falso, para apoyar o refutar una conclusión. Podemos añadir su papel en la elección entre teorías, o en la toma de decisión entre distintas opciones. Todo esto se refiere al papel en la justificación, pero hay que tener en cuenta que las pruebas también juegan un importante papel en la persuasión, en convencer a otras personas o a la comunidad científica.

3) Criterios para identificar y evaluar pruebas: respondería a la pregunta ¿qué pruebas son relevantes en la justificación de un determinado enunciado?

En cuanto a los criterios, tendríamos que distinguir por un lado los que se refieren a la evaluación de pruebas, y por otro los que se refieren a la evaluación de fuentes de información.

Algunos criterios de evaluación de pruebas serían si la prueba tiene relación con el enunciado (Puig y Jiménez-Aleixandre, en prensa); o, como proponen Kenyon, Kuhn y Reiser (2006) si es específica para la cuestión discutida, y si se origina en datos, no en opiniones.

Práctica o desempeño del uso de pruebas La segunda dimensión puede definirse como la práctica o desempeño del uso de pruebas, es decir la capacidad para utilizar las pruebas en la evaluación de enunciados, sean teóricos o provengan de resultados empíricos. Proponemos que esta ca-

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Algunos ejemplos, no exhaustivos, de distintos contextos en los que la práctica de evaluación de pruebas presenta algunas diferencias son: a) en la elección entre varias teorías o modelos explicativos de un fenómeno, como pueden ser entre el modelo heliocéntrico y geocéntrico; entre el modelo de origen del relieve por la contracción terrestre o por la tectónica global; entre las teorías que atribuían el cólera y otras enfermedades infecciosas a contagios (contagionistas) y las que los atribuían a miasmas; b) en la elección entre varias opciones o decisiones, por ejemplo entre comer peces que son carnívoros primarios o secundarios, como arenque o sardina, y comer carnívoros terciarios como el salmón, en función de su eficiencia ecológica (Bravo y Jiménez-Aleixandre, en prensa); c) en la evaluación de enunciados de otras personas, como puede ser la afirmación de James Watson sobre las diferencias genéticas en inteligencia entre personas blancas y negras (Puig y Jiménez-Aleixandre, en prensa); d) en la identificación de los supuestos que subyacen a una conclusión determinada, como puede ser, en el caso anterior de Watson, identificar el supuesto de que las diferencias en inteligencia se deben únicamente al genotipo, sin intervención de los factores ambientales.

2) Operaciones que forman parte del desempeño de uso de pruebas: estas operaciones pueden ser diferentes en los distintos contextos de construcción del conocimiento.

Algunas de estas operaciones son, por ejemplo y a título no exhaustivo: evaluar la fiabilidad de las fuentes de información de quien emite el enunciado (experto, libro, docente, medio de comunicación etc.), así en el estudio de Kolstø (2001), citado en el apartado anterior, o en el de Jiménez-Aleixandre, Agraso y Eirexas (2004) sobre afirmaciones contrapuestas de científicos acerca de la marea negra del Prestige. En la evaluación de enunciados, como el de James Watson, Puig y Jiménez-Aleixandre (en prensa) proponen al menos tres: identificación del significado del enunciado (que implica comprensión de textos científicos) y que, como muestran estas autoras no siempre tiene lugar; coordinación de enunciados con pruebas, o en otras palabras identificación de qué pruebas son relevantes para apoyar o rechazar el enunciado; e identificación del significado de cada prueba, es decir si apoya o refuta un enunciado determinado. En la evaluación de distintas opciones, como en el trabajo de Bravo y Jiménez-Aleixandre (en prensa), habría que añadir a éstas la articulación de pruebas empíricas (por ejemplo la cantidad de kilos de pequeños pescados necesaria para producir un kilo de salmón) con justificaciones educación química •

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teóricas, como puede ser el modelo de flujo de energía en un ecosistema, o la pirámide trófica.

La distinción de estas dimensiones tiene propósitos analíticos para guiar tanto el diseño de ambientes de aprendizaje y tareas que favorezcan el desarrollo de esta competencia, como la investigación sobre ella. Distinguirlas no significa que se desarrollen por separado, ni que las actividades de enseñanza tengan como objetivo sólo la primera o la segunda, pues están estrechamente relacionadas entre sí.

Puede decirse que algunas actividades para promover el uso de prácticas implican de forma más clara el desarrollo del metaconocimiento, como es el caso en las que demandan implícita o explícitamente la evaluación de las fuentes. Así, en el trabajo de Hogan y Maglienti (2001) donde se propone al alumnado que evalúen las conclusiones de otros estudiantes sobre un problema medioambiental creado por una planta invasora. Los criterios utilizados por el alumnado son comparados con los utilizados por expertos. La diferencia entre ambos es que los expertos utilizan como criterio la existencia de datos empíricos, mientras que las y los estudiantes recurren más a las inferencias personales. En esta línea se sitúa el trabajo de las coautoras (Puig y Jiménez-Aleixandre, en prensa) que requiere por parte del alumnado el análisis de distintos ítems sobre la interacción entre genotipo y ambiente, y su empleo en la evaluación positiva o negativa de la afirmación de Watson sobre las diferencias genéticas de inteligencia entre negros y blancos.

Otras tareas ponen más el acento en la práctica de uso de pruebas, por ejemplo aquellas en las que el alumnado tiene que elaborar una conclusión a partir de una serie de datos, que pueden ser suministrados o bien estar implícitos en la tarea, lo que requiere que sean recuperados del conocimiento escolar.

Así el estudio de Kelly y Takao (2002) en el que se analizan los niveles epistémicos en la argumentación de estudiantes universitarios en oceanografía, que disponían de una base de datos reales sobre características y fenómenos tectónicos en diferentes placas y lugares del mundo. Eirexas y JiménezAleixandre (2007) analizan la argumentación de alumnado del último curso de bachillerato (17-18 años) en la elección de un sistema de calefacción que causase el mínimo impacto ambiental posible. El alumnado disponía de un dossier con información de las distintas fuentes de energía, tanto procedente de las propias compañías suministradoras de electricidad, gas, etc., como de estudios comparativos de precios, además del texto de Ciencias de la Tierra y del medio ambiente.

Otro ejemplo de trabajo sobre la dimensión práctica es la investigación de la primera autora: la tarea requería que los alumnos seleccionasen datos de un texto sobre las consecuencias de la sobreexplotación pesquera y los relacionasen con sus conocimientos de ecología, aplicando conceptos como pirámide trófica o flujo de energía, para decidir si es más eficiente alimentarse de niveles inferiores o superiores de la cadena trófica (Bravo-Torija y Jiménez-Aleixandre, en prensa).

En algunos trabajos, como el de Sandoval y Millwood (2005) se combinan ambas dimensiones. Estos autores analiabril de 2009

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zan la calidad de los argumentos escritos relacionados con problemas sobre evolución, en cuanto a tres aspectos: la calidad conceptual; la suficiencia de datos, y las referencias retóricas en los argumentos del alumnado. Tanto el primero como el segundo pertenecen fundamentalmente a la dimensión práctica, pero al mismo tiempo el segundo y el tercero se refieren respectivamente a los criterios de evaluación y a la función de persuasión.

Todos los estudios mencionados ponen de manifiesto las dificultades del alumnado para coordinar los datos y conclusiones, las limitaciones de su comprensión del papel de las pruebas y su valor en la argumentación.

A modo de conclusión Los trabajos de las autoras, en un caso sobre la evaluación de un enunciado acerca de diferencias genéticas en inteligencia entre blancos y negros, y en otro sobre la elección, con criterios de eficiencia ecológica, de si comer salmón o los pescados de los que éste se alimenta, han puesto de manifiesto que, tanto en secundaria como entre alumnado universitario, el uso de pruebas en la construcción de argumentos presenta serias limitaciones. Algunas de estas dificultades pueden re­ lacionarse con los problemas en la comprensión de textos, otras con una insuficiente comprensión de la naturaleza del trabajo científico y, en particular, de la naturaleza y función de las pruebas, y otras con las dificultades para transferir a un contexto lo aprendido en otro (Puig y Jiménez-Aleixandre, en prensa). El análisis de la literatura muestra dificultades similares en otros contextos y tareas. Esto apunta a la necesidad de disponer de herramientas analíticas que permitan, tanto abordar las distintas dimensiones del uso de pruebas en el diseño, como examinar su desarrollo en el aula. Éste es el objetivo de la herramienta aquí presentada, que estamos usando en nuestro trabajo en curso.

Agradecimientos Trabajo parte del proyecto código SEJ2006-15589-C02-01/ EDUC, financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia (MEC) de España, y parcialmente con fondos FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional). El trabajo de Beatriz Bravo está financiado por una beca FPI del MEC, código BES-200715075, y el de Blanca Puig por un convenio con el Consello de Cultura Galega, código 2008/CI78.

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educación química •

abril de 2009

de aniversario: “argumentación en el salón de clases”

Las estrategias argumentativas en la enseñanza y el aprendizaje de la química María Eugenia De la Chaussée Acuña1

Abstract (Argumentative strategies for teaching and learning chemistry) Any human being has formulated questions for his desire and necessity to know about the natural, social and human reality. In order to investigate in any science, scientists use two methods: an internal one for perceiving the reality, thinking, analyzing, reflecting, argueing and judging, and the other for researching. Both methods are learned by students in interactions with teachers.

The internal method consists on the mental operations that we put into motion in all cognitive processes. In the empirical level we have sensations, perceive, memorize, repeat, remember and imagine. In the intellectual level we inquire, relate, analyze, come to understand, express what we have understood, conceive and formulate. In the rational, we reflect, look for and order the evidences, criticize, argue and make judgments on the truth or falsity, certainty or probability, of a statement. All the operations on these three levels are intentional and conscious.

To argue is one of the mental operations of the third level. It consists in looking for and presenting data and proofs, to demonstrate and to make something credible (knowledge, problems, results, facts, phenomena,…).

In the present article there are some argumentative strategies in chemistry college courses used in the teaching and learning processes of different concepts. In order to facilitate this purpose, a qualitative research (sociolinguistic) was made (Cazden, 1989). The research is based on the cognitive theory of Lonergan (1999).

I understand as argumentative strategies the set of mental operations (actions) that unfold in the teaching-learning processes to achieve the students’ understanding and learning. Some of these strategies are to use examples, prosopopoeias, analogies, comparisons, descriptions or repetitions.

Keywords: Argumentation in chemistry classes, internal processes to learn chemical concepts Introducción Cualquier ser humano, se formula preguntas por su deseo y necesidad de saber sobre la realidad natural, social y humana.

Los científicos se preguntan e indagan aquellas preguntas a las que pueden buscar y encontrar respuestas o descubrir datos relevantes. Para realizar investigación en cualquier ciencia, los científicos recurren a dos métodos, un método interior para percibir la realidad, pensar, analizar, reflexionar, argumentar y juzgar, y otro para investigar. Todos los científicos, incluyendo los científicos sociales, emplean los dos métodos, tanto el método interior como variantes del “método científico” (Chang, 2002), pues requieren de métodos sistemáticos para generar conocimiento. Los científicos no podrían realizar ningún tipo de investigación (experimental, cuantitativa, cualitativa…) si no observan, se preguntan, entienden, analizan, comparan, razonan, argumentan, juzgan y deciden.

Universidad Iberoamericana Puebla.

Correo electrónico: eugenia.delachaussee@iberopuebla.edu.mx

1

abril de 2009

• educación química

En las ciencias naturales el método científico experimental permite ir generando nuevos conocimientos. La observación, la detección y planteamiento del problema, la revisión de lo que otros han investigado, la formulación de hipótesis, el diseño del experimento para recoger datos, la realización y reproducción del mismo, la verificación o rechazo de las hipótesis, la formulación de leyes generales y la explicación e interpretación de estas leyes, la predicción de fenómenos naturales y la formulación de teorías estimulan la búsqueda de nuevos descubrimientos. Las leyes resumen los hechos de la naturaleza y casi nunca cambian. No obstante, las teorías, aunque explican y agrupan hechos, experimentos y las leyes basadas en ellos, son inventadas por la mente humana, pueden cambiar, y lo hacen a medida que se descubren nuevos hechos o explicaciones. De las hipótesis se deducen sus efectos e implicaciones, y éstas sugieren experimentos que hay que realizar. El proceso de experimentación aporta nuevos datos, nuevas observaciones, nuevas descripciones que pueden o no confirmar la hipótesis que se está verificando. En la medida en que no la confirman, conducen a modificaciones de la hipótesis y el investigador tiene que dar razones de por qué no se confirmó y elaborar nuevas hipótesis. Los datos no dejan de ampliarse, de aniversario

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nuevos descubrimientos se agregan a los anteriores. Nuevas hipótesis y teorías expresan no solamente nuevas intelecciones, sino también lo válido de las previas. Tal es, de manera muy sintética, el método de las ciencias naturales.

Ambos métodos van siendo significados y aprendidos por los alumnos en la interacción con los profesores.

El método interior son la serie de pasos o serie de procedimientos de la mente humana que realizamos en todos los procesos cognoscitivos.

El método interior consta de una serie de operaciones mentales en diferentes niveles de consciencia e intencionalidad (Lonergan, 1999). En el nivel empírico tenemos sensaciones, percibimos, memorizamos, repetimos, recordamos e imaginamos. En el nivel intelectual preguntamos, relacionamos, analizamos, entendemos, expresamos lo entendido, concebimos y formulamos. En el racional, reflexionamos, buscamos y ordenamos nuestras evidencias, criticamos, argumentamos y hacemos juicios sobre la verdad o falsedad de las afirmaciones o sobre su certeza o probabilidad. Un alumno aprende significativamente cuando logra transitar hasta el tercer nivel, es decir, cuando llega a emitir, por sí mismo, juicios fácticos.

Argumentar es una de las operaciones mentales del tercer nivel del método interior. Es una operación mental interna que puede o no ser manifestada exteriormente. Consiste en buscar y presentar datos y pruebas para fundamentar, demostrar y hacer creíble algo (conocimientos, problemas, resultados, hechos, fenómenos, contradicciones…). Los usos de la argumentación son diversos. Argumentamos para demostrar o debatir ofreciendo evidencias y razonamientos lo más completos y estructurados posibles para mostrar o convencer de algo.

Un argumento sencillo expresado verbalmente es el siguiente: Alumna A: Hoy el volcán lanzó una gran fumarola.

Alumno B: ¿Por qué lo dices?

Alumna A: Por la cantidad de ceniza sobre los coches, árboles, azoteas, patios y gran parte de la ciudad. Tú puedes verla. Ésta es una evidencia de su actividad volcánica.

En el argumento anterior hay una base empírica sobre la que se apoya la afirmación pues se cuentan con pruebas (la cantidad de ceniza sobre las cosas) para justificar y demostrar lo que se está afirmando.

Un argumento es cualquier dato, prueba, experimento, evidencia, razonamiento,… para probar o demostrar algo.

Cuando se ataca o contradice (refuta) determinado argumento, se está sosteniendo ya sea que el argumento es deficiente pues las pruebas no concuerdan con la conclusión o que las pruebas son inadecuadas, insuficientes o falsas. Un ejemplo sería elaborar un argumento que inicie presentando datos sobre los efectos nocivos y negativos de la contaminación industrial, para luego terminar condenando el uso de toda la tecnología, por considerarla perjudicial para la vida en este planeta.

La falta de veracidad de las implicaciones de este argumento quedaría en evidencia no sólo al recordar y reconocer que

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de aniversario

buena parte de la medicina actual, que preserva la vida y sirve a ella, es resultado de los avances científicos y tecnológicos, sino también al presentar estadísticas sobre el promedio de vida al nacer o los índices de mortalidad y morbilidad de los adultos y personas de la tercera edad.

Como dice Cros (2003), la argumentación es una actividad racional del sujeto en la que el argumentador ofrece razonamientos ya sea a sí mismo o a otras personas.

Para algunos autores como Calderón y León (1996) argumentar es una actividad externa, es hacer uso del lenguaje verbal para formar un discurso que dé cuenta de nuestras convicciones acerca de un asunto. Sin embargo, pierden de vista que lo que hablamos y escribimos son expresiones de nuestro pensamiento y juicio. Este discurso al que hacen referencia tiene como función fundamental convencer o persuadir, en forma razonada, a otro(s); su objetivo primordial es lograr la adhesión del otro, exige, entonces, realizar, a partir de la premisa que se tiene por cierta, construcciones que expliquen, justifiquen, relacionen y concluyan convincentemente la(s) tesis supuesta(s). En una situación argumentativa “cobra gran importancia la existencia de interlocutores a quien adherir nuestras posturas personales frente a ciertas situaciones” (p.

12). Los interlocutores habrán de establecer comunicación con un miembro que no esté convencido (profesor, contraargumentador, alumno, etcétera).

Históricamente, en el desarrollo del ser humano y de las ciencias, el método interior y particularmente la argumentación han sido fundamentales. Mediante la argumentación se convence a los científicos que una teoría es mejor o más explicativa o completa que otra o que una teoría dejó de considerar algunas evidencias o datos, o que presenta tales o cuales contradicciones. Los argumentos en los distintos campos de conocimiento se diferencian entre sí no sólo en cuanto a su estructura sino en cuanto a su contenido e intencionalidad.

Por ejemplo, en las ciencias naturales los principios de inferencia intentan captar la estructura, dinámica y lógica de la naturaleza, mientras que en las ciencias sociales el comportamiento y la intención de los grupos sociales en diferentes ámbitos. La argumentación también difiere según lo que esté en juego: en la ciencia, el destino de una hipótesis, una teoría o una aplicación tecnológica, y por ejemplo, en la aplicación del derecho, el destino de un grupo humano que puede estar sufriendo de injusticias. Por lo tanto, las maneras de argumentar difieren.

Se argumenta en distintos ámbitos: en el escolar, familiar, laboral, en la economía, en la política, en la publicidad, en la administración de la justicia, en las diferentes ciencias,… Ningún ámbito en el que participe el ser humano escapa a esta posibilidad de argumentar pues es una de las operaciones mentales que ha desarrollado. Utilizada al comunicarse es básica para evidenciar, plantear y resolver problemas y con­ flictos, defender una postura, llegar a acuerdos, propiciar el consenso, convencer, debatir. Permite la emisión de juicios por parte del proponente y el reconocimiento de la postura del otro. educación química •

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En la enseñanza y el aprendizaje de la química la argumentación normalmente la emplean los profesores y los alumnos para exponer y explicar conocimientos, para contrastar teorías o para lograr que se entienda algo que es de difícil comprensión. Además, el profesor necesita argumentar para convencer a los alumnos y demostrarles que las explicaciones y experimentos físicos y químicos son ciertos, comprobables y repe­ tibles, y además, utiliza diversas estrategias argumentativas como recurso para que ellos a su vez puedan entender conocimientos, formar diversos conceptos, formular explicaciones y aprender los dos métodos (el interior y el método científico experimental).

Garritz y Chamizo (1994) aunque no hablan de la existencia de ambos métodos, de alguna manera los reconocen implícitamente al plantear que la actitud científica es una “actitud que debemos adoptar en nuestro viaje por la vida, con el uso sistemático de nuestra capacidad racional y mediante la observación cuidadosa, la suposición de resultados y su verificación” (p. 13).

En el presente artículo se muestran algunas estrategias argumentativas usadas en los procesos de enseñanza y aprendizaje de diferentes conceptos.

Para alcanzar el propósito del presente trabajo se realizó una investigación cualitativa interpretativa, sociolingüística (Cazden, 1989) sobre algunos usos que hacen de la argumentación tanto profesores como alumnos universitarios. La investigación se fundamenta en la teoría cognitiva de Lonergan (1999).

Por estrategias argumentativas entiendo el conjunto de operaciones (acciones) mentales que se despliegan en los procesos de enseñanza-aprendizaje para lograr que los alumnos aprendan, es decir, son formas de trabajar mentalmente y en la interacción. Algunas de esas estrategias son usar ejemplos, prosopopeyas, analogías, refranes, metáforas, citas, explica­ ciones, descripciones, explicaciones causales, inferencias, deducciones, comparaciones, repeticiones. Son estrategias porque se ponen en juego para alcanzar un propósito. Cada estrategia utilizada da cuenta de estados de desarrollo cognitivo diferentes.

Se entiende que la analogía es la relación abstracta entre significados diferentes que tienen ciertas semejanzas. Por ejemplo, un perro y un gato son perceptiblemente diferentes y una analogía entre ellos es que son mamíferos. La plata es un sólido y el ácido acético un líquido y su analogía es que son materiales.

Existen dos significados del término analogía. Para algunos autores, una analogía es una semejanza o paralelismo entre dos cosas distintas (Barker, 1991, y Guétmanova, 1989), pero también se llama analogía no a la mera comparación o al paralelismo existente entre dos objetos, sino a un tipo de razonamiento (Guétmanova, 1989).

En el razonamiento analógico, cierta relación se traslada de un significado a otro, para pasar después a otro nivel de generalización.

Es posible entendernos mediante la argumentación analóabril de 2009

• educación química

gica, “ya que a partir de ella se pueden explicar cosas incomprensibles, pasando de lo más conocido a lo menos conocido a través de ciertas semejanzas” (Copi, 1984, p. 399).

Como dicen Correa, Dimaté y Martínez (1999) el sujeto que argumenta un saber específico ha debido recurrir a estrategias para construir su estructura argumentativa y de esa manera “poner en juego” su saber en diferentes contextos.

Perspectiva teórico-metodológica Entender y aprender directamente nuevos conocimientos (conceptos, teorías, métodos, procedimientos, técnicas,…) que nunca se han escuchado o trabajado es imposible y estéril.

No se puede aprender algo a lo que no se le ha dado significado y no se ha entendido. Un profesor que intente que sus alumnos lo hagan generalmente no logra nada más que la memorización, una repetición de palabras y un verbalismo hueco por parte de los alumnos que simulan un conocimiento, pero que en realidad sólo encubren una ausencia.

El ser humano es un ser capaz de dar significados. El alumno aprende los significados que tienen los diferentes fenómenos en los contextos en el que los aprende, siendo millones los significados que el alumno debe dar. Por ejemplo, tan sólo para significar lo que es “X” tiene que darse cuenta que “X” tiene diversos significados en diferentes contextos. En español, “X” es una de las consonantes del alfabeto castellano, en biología “X” es uno de los cromosomas sexuales, en matemáti­ cas significa tanto el número romano que equivale a 10 (diez) como una multiplicación o una incógnita en una ecuación algebraica o una variable, y “X” en una respuesta a una pregunta de un examen significa que la respuesta es incorrecta. En química, “I” es el símbolo del “yodo”, en matemáticas el número romano que equivale a 1 (uno) y en inglés significa “yo”.

La química como todas las demás ciencias está llena de significados, de conceptos abstractos y complejos y de teorías y métodos, por lo que su enseñanza y su aprendizaje no es fácil ni sencillo. El alumno tiene que dar significados y aprender infinidad de cosas como los símbolos de los elementos, las maneras de representar los compuestos y las reacciones químicas, el vocabulario especializado, el lenguaje para expresar los fenómenos y la manera de expresarlos, etc. ¿Qué sucede en el interior del alumno cuando escucha los conceptos químicos que se le enseñan?, ¿qué entiende el alumno de lo que dicen los profesores sobre los conceptos y teorías?, ¿entiende realmente lo que escucha?, ¿qué tanto entiende?, ¿basta para el alumno con escuchar un concepto una vez para entenderlo y aprenderlo?, ¿los conceptos son aprendidos como tales?, ¿qué tiene que hacer interiormente el alumno para dar significados y aprender los conceptos?, ¿cuántos conceptos ha construido el alumno?, ¿cómo llega a conceptualizar algo?

Se da por supuesto que los alumnos van a clases a aprender, se les pide que aprendan pero no se les explica qué es aprender ni cómo aprender, de manera que los alumnos llegan a cursos de nivel superior habiendo memorizado muchas definiciones de conceptos sin haberlos entendido y aprendido realmente. de aniversario

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Un error muy común que cometemos los profesores es suponer que en el salón de clases todos los alumnos van siguiendo y entendiendo las explicaciones que les damos por el simple hecho de que estén sentados en el aula o en el laboratorio observándonos y siguiéndonos aparentemente con la mirada.

Por otro lado, normalmente en los grupos, muchos alumnos no participan, se mantienen callados y nunca hablan. Perdemos de vista que no tenemos acceso directo a la mente y los pensamientos de los alumnos, no podemos ver en qué están pensando, qué llevan en su mente, ni los conocimientos que han podido construir, ni tampoco lo que no han entendido ni lo que no han aprendido. La única manera de saber qué van entendiendo o aprendiendo o en qué están pensando es preguntarles o pedirles que nos expliquen o que hagan algo.

Para Sternberg y Spear-Swerling (1996) hay un tipo de enseñanza que es la que predomina en la mayor parte de las aulas. Este tipo de enseñanza solicita a los alumnos cosas como: a) ¿Quién dijo…? b) Resuman…, c) ¿Quién hizo…?, d) ¿Cuándo…?, e) ¿Qué hizo…?, f) ¿Cómo…?, g) Repitan…, y h) Describan…. Esta forma de enseñar estimula aquello que los alumnos ya saben. Plantean que “evidentemente, no hay nada malo en este tipo de estímulo, los alumnos necesitan adquirir una base de conocimientos, pero en la medida en que estemos interesados en desarrollar las capacidades de razonamiento de los alumnos, debemos tener presente que, en último término, lo que verdaderamente importa no es lo que sepamos, sino que podamos usar de la mejor manera posible lo que ya sabemos, sea de forma analítica, creativa o práctica” (p. 68). Dicen que los alumnos “deben tener la oportunidad de aprender por medio del razonamiento analítico, creativo y práctico, así como por medio de la memoria” (p. 68).

Tishman, Perkins, y Jay (1994) por su parte señalan que escuchan en algunas aulas a profesores y alumnos usar muchas palabras intelectualmente evocativas, como razones, conclusión, evidencia y opinión. Pero en otras, el lenguaje de pensamiento es más escaso, y profesores y alumnos tienden a usar palabras más generales como pensar, suponer y sentir.

Como se mencionó anteriormente, esta investigación se fundamenta en la teoría cognitiva de Lonergan (1999). Todos los seres humanos usamos una serie de operaciones mentales internas (no observables) para procesar la realidad. Una operación mental es una acción mental que realiza el alumno, el profesor o cualquier persona. Algunas de estas operaciones son: ver, oír, sentir, oler, gustar, preguntar, recordar, imaginar, memorizar, repetir, analizar, comparar, entender, explicar, concebir, formular, hablar, escribir, hipotetizar, conceptualizar, calcular, recoger evidencias, razonar, reflexionar, ordenar y ponderar las evidencias, argumentar, juzgar, deliberar, evaluar, decidir,… Cuando el sujeto utiliza conscientemente, recurrentemente y con destreza una operación mental ésta se convierte en habilidad mental. A través de los datos de los sentidos podemos llegar a la intelección y de la intelección a la reflexión y al juicio. Las operaciones mentales tienen distinto grado de complejidad.

Vygotsky (1995) entre las operaciones intelectuales tam-

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de aniversario

bién incluye las comparaciones, los juicios y las conclu­ siones.

Para Lonergan, el desarrollo intelectual es una construcción del propio sujeto que va logrando a partir de sus propias intelecciones, razonamientos, argumentos y juicios. ¿Cómo llega el sujeto a argumentar y formular juicios fácticos? Lonergan (1999) plantea que cada sujeto puede llegar a ellos siguiendo un método cognitivo interior. Un primer nivel del método consiste en que el alumno atienda los datos de los sentidos y de la consciencia. Después, la relación entre datos, la formulación de hipótesis y la indagación le hará posible el entendimiento de los datos. En tercer lugar, mediante la recolección de evidencias (a favor y en contra), la comprobación, el sopeso de pruebas, la reflexión crítica, la argumentación y el juicio fáctico, se reconoce lo que es realmente así, y lo que es independiente de nosotros y de nuestro pensamiento. Cognitivamente implica recoger datos y conocer el objeto, la situación, el problema o el fenómeno objetivamente, y a fondo para poder entenderlo, analizarlo y juzgarlo fácticamente en toda su extensión y complejidad.

Todo pensamiento (acto de entender) trata de unir algo con algo, de establecer una relación entre diversos datos o aspectos relacionables. Entender es relacionar, es conectar conocimientos, ideas, hechos,… Entender información es relacionarla con la información que ya tenemos. Cuantas más relaciones establezcamos entre unos datos informativos nuevos y esos conocimientos, más entendemos. El sujeto en este nivel se centra en intentar responder las siguientes preguntas: ¿qué?, ¿cómo?, ¿cuándo?, ¿por qué?, ¿cuáles?, ¿para qué?, ¿cuáles son las causas y los efectos?, ¿cómo se relaciona esto con…?

Conceptualizar no es memorizar, repetir o representarse algo en la mente. No es ver un objeto o evento, cerrar los ojos, recordarlo y tratar de representarlo en la mente. Un concepto formulado en una o más palabras representa un acto de generalización. Un concepto es más que la suma de experiencias concretas o de determinados enlaces asociativos formados por la memoria, más que un simple hábito mental; es un acto del pensamiento abstracto que no puede ser enseñado o transmitido por el profesor, sino que es algo que el propio alumno tiene que hacer por sí mismo, en su interior, mediante el uso de sus operaciones mentales. El desarrollo de los conceptos presupone el manejo de muchas operaciones intelectuales, la percepción, la atención, la memoria, el recuerdo, la imaginación, el análisis, la habilidad para comparar y diferenciar, la abstracción, entre otras. Veamos un ejemplo sencillo. Reflexionemos lo que implica para un alumno formar en la mente el concepto “silla”. Recordemos que el concepto “silla” no es la representación mental de una silla concreta. Para construir en la mente el concepto, el alumno tuvo que haber visto y tocado muchas sillas (en su casa, en los salones de clase, en la biblioteca, en la dirección de la escuela, en la casa de los familiares y amigos, en las mueblerías,...). Además debió pensar en ellas, compararlas, diferenciarlas, representarlas en su mente, recordarlas, imaginarlas, idear otras y preguntarse educación química •

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qué es común, característico y esencial en todas ellas. El concepto de “hombre” prescinde de las características de Ricardo, Gerardo, Adolfo, Francisco, etc. Todo concepto es abstracto.

Un concepto es un contenido mental en el que captamos algo.

En cuanto está en la mente es lo entendido por la mente. Así, hablamos del concepto de materia, energía, tiempo, etc. El concepto pertenece a la mente, no a las cosas. Hay flores reales (rosas, margaritas, claveles, crisantemos, geranios…), pero el concepto “flor” está en la mente del que entiende la naturaleza de la flor (órgano reproductor del vegetal). Mediante los conceptos pensamos la realidad, la aprehendemos intelectualmente, nos posesionamos de ella intelectivamente.

Vygotsky (1995) encontró que muchos niños y adultos sólo forman pseudoconceptos pues agrupan objetos o usan palabras sin conocer el núcleo esencial que definiría el concepto, pues sólo se guían por similitudes concretas y visibles.

Lamentablemente en las aulas la mayoría de los alumnos sólo forman pseudoconceptos. Si les pedimos a un grupo de alumnos que piensen en el concepto “silla” y les solicitamos nos lo describan y expliquen, seguramente encontraremos que pensaron en una silla concreta (ya sea una que les gusta, una que recuerdan, una que vieron y que les gustaría tener, una que tienen enfrente, etc.) pero no en el concepto “silla”. Imaginemos entonces qué sucede en la mente de un grupo de alumnos cuando tratamos un tema con un conjunto de conceptos y explicaciones. Tan sólo cuando un alumno relata un suceso como un incendio que presenció, difícilmente podríamos afirmar que todos los alumnos piensan y reconstruyen en su mente el mismo evento a pesar de estar escuchando exactamente lo mismo.

Argumentar, como ya se había mencionado, es una de las operaciones mentales del tercer nivel del método interior. Es presentar datos y pruebas para fundamentar, demostrar y hacer creíble algo. Para ello se aportan evidencias, pruebas, explicaciones y razonamientos. Cuando alguien argumenta trata de demostrar o de probar algo.

Para argumentar se requiere de operaciones mentales de los otros niveles como atender, analizar, entender, reflexionar, recoger y seleccionar evidencias. La argumentación se centra en las siguientes preguntas: ¿se puede comprobar?, ¿cómo?, ¿cuáles son las pruebas o evidencias?, ¿cuáles son las pruebas relevantes o los argumentos?, ¿qué demuestran las pruebas?, ¿no son contradictorias las pruebas?, ¿es lógico el resultado de...?, ¿por qué?

Un argumento para Capaldi (1990) es una serie de aseveraciones (oraciones, proposiciones), que individualmente o en su conjunto “apoyan”, “demuestran” o “dan prueba de” otra aseveración. La conclusión es la aseveración que resulta apoyada, demostrada o probada. Todo argumento entraña un tema central y una conclusión apoyada por premisas o razones que supuestamente sirven de pruebas. Un argumento puede no ser coherente con los hechos objetivos sea porque las premisas o razones esgrimidas son, sencillamente falsas, o porque las implicaciones o resultados de la conclusión serían considerados insuficientes o falsos. abril de 2009

• educación química

Juzgar es otra operación interna (no observable) del sujeto (alumno, profesor…) en la que interviene como juez de lo que se le presentan como datos (hechos, fenómenos, estadísticas, experimentos, conocimientos, etc.). Para poder juzgar objetivamente, el sujeto busca pruebas a favor y en contra de la hipótesis, las sopesa y las critica para finalmente dar el fallo sobre su veracidad o falsedad. Al juzgar se comprueban o rechazan las hipótesis al afirmar o negar algo de la realidad. Para formular el juicio, el sujeto prueba y comprueba las evidencias. Por ejemplo, si me regalan una cadena “plateada” puedo formular la hipótesis de que la misma es de plata o de polimetacrilato de metilo pintado con pintura plateada y tendría que realizar algunas pruebas para comprobar y juzgar si efectivamente así lo es o no.

Juzgar implica cuestionar los hallazgos del entendimiento para establecer si son ciertos (verdaderos) o no (falsos). Supone sopesar las evidencias y pruebas, y preguntarse interiormente ¿en verdad es o no es así en la realidad?, ¿es correcto o incorrecto?, ¿es verdadero o falso?, ¿se está seguro? Con el cuestionamiento crítico sobre las pruebas se emite un juicio fáctico (de verdad): ¡esto es así o no!

Cada ser humano va formulando sus propios juicios pudiendo también asumir como válidos los juicios que realizan otros. Juzgar fácticamente no es describir algo, sino reunir pruebas y evidencias para afirmar si algo es así o no (juicio fáctico). Dentro de los juicios fácticos encontramos los juicios científicos. El científico al observar, entender relaciones, formular hipótesis, experimentar, y comprobar o rechazar hipótesis emite juicios fácticos (como por ejemplo: “¡Sí, es cierto! ¡El cobre conduce el calor”).

Los alumnos deben aprender a confrontar sus conocimientos e ideas con argumentos de diversas clases. Un alumno por ejemplo puede suponer que un objeto es de polietileno y el papel del profesor sería cuestionarlo para que el alumno demuestre que efectivamente es de polietileno. ¿Cómo podría probar y juzgar si lo es? Podría hacerle diversas pruebas físicas y químicas tales como observar si brilla o no, si se derrite (funde) o no al calentarlo a baja temperatura, analizar su dureza y resistencia, si conduce o no la electricidad y el calor, si puede formar hilos, si es inalterable por el aire y el agua, si se disuelve o no con diversos solventes orgánicos (agua, alcohol, acetona, éter etílico, hexano, benceno,…), si resiste la presencia de ácidos, etc. Una vez que se cuentan con los hallazgos a favor y en contra podría formular el juicio “¡Sí, este objeto es de polietileno”.

Si el razonamiento, la argumentación y el juicio fáctico es erróneo el alumno tendrá, por sí mismo, que darse cuenta. ¿Cómo se aprende inicialmente a argumentar y juzgar?

Vygotski (1979) sostiene que el aprendizaje de cualquier cosa ocurre dos veces, primero en el plano interindividual (entre sujetos) y luego intraindividual. A argumentar y juzgar hábilmente se aprende a partir de las interacciones sociales con otras personas, empezando con argumentos en los contextos familiares y educativos (Vygotsky, 1995).

Estos argumentos y juicios fácticos que escucha en la interacción, van haciendo que el sujeto estructure su pensamiende aniversario

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to y su mente de una determinada manera, pero si en el contexto en el que se desenvuelve no tiene muchas oportunidades para razonar sino sólo para memorizar y repetir, su habilidad para argumentar y juzgar no se desarrolla.

En los significados y conocimientos científicos que el alumno construye en la escuela, la relación de un objeto de conocimiento está mediada desde el comienzo por algún otro significado (Vygostky, 1995). Así, el conocimiento de un significado científico implica una relación respecto a otros significados. Es imposible comprender un significado científico sin recurrir a cualquier otro (sea cotidiano o científico), puesto que no disponemos de significados específicos para todas las áreas de conocimiento.

Bartlett (citado en Meyers, 1986) descubrió que la gente tiende a interpretar información en términos de los conocimientos y conceptos previamente adquiridos, los cuales influyen posteriormente. Si los profesores no ofrecen un marco contextual para dar significado a los contenidos de sus cursos, los alumnos le darán el propio.

Piaget (1967) no usó la palabra argumentación en sus investigaciones y discusión de las operaciones mentales, pero hay un obvio paralelismo entre sus categorías de pensamiento formal o abstracto y lo que se ha definido como el nivel racional, esto es, las operaciones y habilidades para formular generalizaciones, encontrar nuevas alternativas, argumentar y emitir juicios. En el estadio de las operaciones concretas las estructuras mentales de los alumnos se relacionan con lo visible, el mundo tangible de la experiencia inmediata y no con hipótesis verbales. Las operaciones concretas consisten en agrupar, reunir, disociar, clasificar, seriar, corresponder, etc. Las operaciones concretas no se refieren a proposiciones o enunciados verbales, es decir, a simples hipótesis, sino a las operaciones mentales que se realizan con los objetos mismos. En otras palabras, la operación concreta está ligada a la acción sobre los objetos y a la manipulación efectiva o apenas mentalizada. El nivel de operaciones abstractas es aquel que está desligado y liberado de lo tangible, cuando el alumno tiene la capacidad para elaborar teorías o identificar principios o conceptos en las experiencias específicas que pueden ser generalizadas a otras experiencias. Muchos jóvenes y adultos son pensadores concretos en algunas áreas de pensamiento (Meyers, 1986).

Para analizar cómo se utiliza la argumentación en los procesos de enseñanza y aprendizaje de la química enseguida se analizan varios fragmentos de clases universitarias (o de sesiones de laboratorio) de química mediante una perspectiva sociolingüística interpretativa (Cazden, 1989).

Desarrollo de la investigación El fragmento siguiente se tomó de una sesión teórica del curso de Análisis Químico con alumnos de tercer semestre de la licenciatura en Biología de una universidad pública mexicana.

Se encontraban presentes 22 alumnos (11 mujeres y 11 hombres). La edad promedio de los alumnos es de 20.5 años. La profesora previamente solicitó a los alumnos llevar libros de

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de aniversario

química y física para la clase. Al iniciar la sesión la profesora pide que busquen en los libros lo que es la densidad. Una alumna lee al grupo lo que encontró en un libro sobre la densidad, otro alumno señala que en el libro que él trae hay una tabla sobre densidades y otro más lee sobre las unidades que se usan. Enseguida la profesora dice: Extracto 1 23 Ma: Ahora explíquenme ustedes ¿qué entendieron sobre el 24 concepto de densidad?

25 Ao: Yo entendí que la densidad representa una relación entre 26 la masa y el volumen.

27 Ao: Que se puede encontrar la densidad de una sustancia 28 dividiendo la masa del cuerpo entre el volumen que 29 ocupa dicho cuerpo.

30 Ma: ¿Han escuchado que existen sustancias más densas que 31 otras?

32 Aa: Sí.

33 Ma: ¿Qué creen Uds. que sea más denso el agua o el aceite?

Hay división de opiniones entre los alumnos. La mayoría de los alumnos dice: 34 Aos: El aceite es más denso que el agua.

35 Ma: ¿Por qué creen que el aceite es más denso que el agua?

36 Aa: Porque es más espeso, más viscoso, porque no fluye igual 37 que el agua.

38 Ma: No mencionaste que es más pesado. ¿Tú crees que es 39 más pesado?

40 Aa: Creo que sí.

41 Ma: ¿Han escuchado hablar de los derrames de petróleo en el 42 mar?

43 Aos: Sí (a coro).

44 Ma: ¿Por qué creen que el petróleo flota en el mar?

45 Ao: Porque no es miscible con el agua.

46 Ma: Bueno, sí, no se mezclan. Pero ¿por qué flota?

47 Ao: Porque es más ligero.

48 Ao: Sí, ya recuerdo. He visto el aceite en la parte de arriba en 49 un vaso con agua.

50 Ma: ¿Se dan cuenta? El aceite es menos denso que el agua. Lo 51 que creo es que confunden la viscosidad con la densidad, 52 es decir, el que un fluido sea más viscoso no siempre 53 quiere decir que sea más denso. Además, normalmente se 54 usa como parámetro comparativo la densidad del agua, y 55 decimos que hay sustancias más o menos densas que el 56 agua.

57 Ao: Sí, yo he escuchado por ejemplo que el agua es más 58 pesada que el alcohol.

59 Aa: Bueno, a mí ya me confundieron porque ahora mi 60 compañero mencionó que el agua tiene más peso que el 61 aceite. ¿Por qué?, ¿no será que tiene más masa?

62 Ma: Tienes razón. Lo correcto es decir que tiene una mayor 63 cantidad de masa en un determinado volumen. Como ya 64 lo vimos en clases anteriores ¿recuerdan la diferencia 65 entre masa y peso?

66 Aos: Sí.

67 Ma: Hablemos ahora de la densidad de los sólidos.

En este caso se observa que están tratando un concepto de la física muy útil en química, es decir, el concepto de densidad (particularmente de los líquidos) (línea 24). El concepto de densidad se trabaja en la educación pública mexicana desde la secundaria (tanto en el curso de física como de química), es educación química •

abril de 2009

decir, los alumnos del fragmento no es la primera vez que escuchan hablar del mismo.

La densidad es una propiedad física de todas las sustancias.

La densidad es la relación entre la masa de un objeto y su volumen (Chang, 2002 y Kotz, Treichel y Patrich, 2003).

Cada sustancia tiene su propia densidad y permite identificarlas y diferenciarlas.

La fórmula para obtener la densidad a partir de la masa y el volumen es:

densidad=

masa volumen

d=

m V

Sus unidades son usualmente g/cm3. La densidad de un material dado no depende de la cantidad de masa presente.

Esto se debe a que el volumen aumenta simultáneamente con la masa, de tal manera que la relación de las dos cantidades permanece sin cambio para el material dado. En consecuencia, la densidad es una propiedad intensiva. Puesto que la densidad toma en cuenta la masa y el volumen, el mismo volumen de dos sustancias puede diferir grandemente en cuanto a su masa y, por lo tanto, tendrán diferentes densidades. Además, casi todas las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían; pero sus masas no varían. Por lo tanto, la densidad es distinta a diferentes temperaturas, aunque el cambio no es muy grande en los líquidos y los sólidos (Holum, 2004). La densidad del agua líquida a 0ºC es de 0.99987 g/cm3 y la del hielo a la misma temperatura es de 0.917 g/cm3 (Daub y cols., 2005). A 4ºC, la masa de 1.0 cm3 de agua líquida es 1.0 g. Así, la densidad del agua a 4˚C es un gramo por centímetro cúbico (1.0 g/ cm3). A 20ºC, la densidad del agua es de 0.99823 g/cm3. El agua del mar a 0ºC tiene una densidad de 1.02811 g/cm3 y a 4ºC, de 1.02778 g/cm3.

La densidad del alcohol etílico a 20ºC es 0.798 g/cm3 (Chang, 2002). El mercurio líquido “tiene una densidad de 13.6 g/cm3 y la gasolina 0.67 g/cm3” (American Chemical Society, 1998, p. 22). La densidad del petróleo crudo varía entre 0.75 y 0.95 g/cm3. El tetracloruro de carbono (un líquido transparente e incoloro como el agua) tiene una densidad de 1.594 g/cm3.

La viscosidad, en cambio, es una medida de “la resistencia de un fluido a fluir” (Chang, 2002, p. 425). Entre más viscosidad, el líquido fluye más lentamente.

La profesora les pregunta a sus alumnos qué entendieron sobre el concepto de densidad y una alumna dice que entendió que la densidad representa una relación entre la masa y el volumen. Otro menciona que se puede encontrar la densidad de una sustancia dividiendo la masa del cuerpo entre el volumen que ocupa dicho cuerpo. La profesora les pregunta si han escuchado que existen unas sustancias más densas que otras.

Una alumna le responde que sí. Para saber si realmente entendieron el concepto y lo pueden aplicar, les pregunta qué es más denso si el agua o el aceite. La mayoría dice que el aceite es más denso que el agua (línea 34); además, los alumnos del extracto confunden lo que es la densidad con la viscosidad de las sustancias (líneas 36 y 37). La profesora para que entienabril de 2009

• educación química

dan y recuerden que el agua es más densa que el aceite les pregunta si han escuchado hablar de los derrames de petróleo en el mar y por qué creen que el petróleo flota en el mar (línea 44). Un alumno contesta que porque el petróleo es más ligero que el agua (línea 47) y otro dice que recuerda que ha visto el aceite en la parte de arriba en un vaso con agua (línea 48).

La profesora pasa a otra cosa sin explicarles bien lo que es la densidad de los líquidos, tampoco concreta si es cierto o no el ejemplo que da el alumno de la línea 57 sobre si el agua es más pesada que el alcohol, menos aún lo que es la viscosidad (línea 38 y 50 a 54), ni la diferencia entre masa y peso.

Este fragmento muestra que los alumnos realmente no han entendido y aprendido lo que es la densidad y que pueden repetir mecánicamente una definición que está escrita en un libro, sin entenderla. Además se observa que la densidad se trata superficialmente. Los alumnos no llegan a entender qué es la densidad, cómo se explica, qué factores la afectan y por qué, cómo se determina.

Las estrategias argumentativas utilizadas por la profesora son ejemplificar y comparar. El ejemplo de la vida cotidiana sobre los derrames de petróleo en el mar y la pregunta posterior de que por qué el petróleo flota en el mar sirven de argumento (prueba) para establecer que el aceite es menos denso que el agua. Son las pruebas para tratar de demostrar que no sólo el petróleo es menos denso que el agua sino también que el aceite lo es. La profesora recurre a algo que posiblemente los alumnos han observado para hacer creíble también lo del aceite. Como prueba de que el aceite es menos denso que el agua la profesora considera lo que dice un alumno en la línea 48. El alumno les dice que recuerda que ha visto el aceite en la parte de arriba en un vaso con agua. Al decir la profesora “¿Se dan cuenta?”, y afirmar posteriormente: “El aceite es menos denso que el agua” (línea 50) está aprobando y confirmando que el aceite es menos denso que el agua.

Además se apoya en la comparación pues recurre a sustancias líquidas inmiscibles, de diferente densidad (agua y aceite, y mar y petróleo), en la que una de ellas es más densa que la otra, pudiéndose observar a simple vista la diferencia en la densidad. La profesora hace referencia a que la densidad del agua se usa como parámetro comparativo habiendo sustancias más o menos densas que el agua (líneas 53 a 56).

Las estrategias argumentantivas que usa la profesora le sirven para llamar la atención de los alumnos sobre algo seguramente conocido en su vida cotidiana, para ilustrar lo que es la densidad y darse a entender, apelando al uso de los sentidos, la memoria y el recuerdo de sus alumnos para que ellos traigan a su mente algo que han escuchado o quizás observado en algún medio (noticieros televisivos, periódicos, revistas, libros de texto…) sobre los derrames de petróleo en el mar. El alumno de la línea 48 ha estado atento a la exposición y va entendiendo lo que la profesora les está diciendo sobre la densidad.

En este caso se observa que el uso de significados cotidianos compartidos que hace la profesora puede tener un efecto significativo positivo en la construcción de un significado cientíde aniversario

149

fico. La estrategia argumentativa que usa el alumno es una descripción.

La profesora emplea el término “aceite” de manera genérica, no aclara si todos los aceites son menos densos que el agua ni hace la distinción entre aceites minerales (derivados del petróleo como los aceites lubricantes para motores y herrajes) y triacilglicéridos líquidos (vegetales y animales) como el aceite hígado de bacalao, el aceite de cacahuate o el de ricino.

La profesora no lleva a los alumnos a entender, razonar, argumentar y juzgar, no los hace usar sus operaciones mentales para transitar por los tres niveles del método interior y lograr formar el concepto en su mente y tener un aprendizaje significativo.

La profesora tampoco aclara a fondo la confusión del alumno en la línea 59 sobre la diferencia entre el peso y la masa. La masa es una medida de la cantidad de materia mientras que el peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto. Un limón que cae de un árbol es atraído “hacia abajo” por la fuerza de gravedad de la Tierra. La masa del limón es constante y no depende de la situación, pero su peso sí. Por ejemplo, en la superficie de la Luna el limón pesaría sólo la sexta parte de lo que pesa en la Tierra aunque no haya perdido nada de su masa al trasladarse, dado que la gravedad lunar es sólo un sexto de la terrestre. La masa se puede determinar con facilidad empleando una balanza. Normalmente no se les aclara a fondo la diferencia. Cuando se dice a los alumnos que “pesen” algo en una balanza realmente lo que se hace es pedirles que determinen su masa y no su peso.

No es lo mismo que un alumno diga: “Supongo (hipótesis) que el aceite es más denso que el agua”, que asegure: “No es cierta mi hipótesis. Ya comprobé que el aceite es menos denso que el agua” (juicio fáctico). Esta segunda operación mental realizada es mucho más profunda, compleja y significativa que la simple formulación de la suposición pues está comprobando que la hipótesis no cierta y está afirmando que el aceite es realmente menos denso que el agua. ¿Cómo llevar a los alumnos a pensar, entender, reflexionar, argumentar y juzgar para que realmente aprendan lo que es la densidad?

La profesora podría haber retomado las expresiones de los alumnos y plantear al grupo que uno de sus compañeros tiene la hipótesis de que el aceite es más denso que el agua. Posteriormente podría pedirles que le demuestren que así es, ya sea dando ejemplos de hechos que hayan observado o trayéndole pruebas para confirmar o rechazar la hipótesis de su compañero.

La expresión de los alumnos en la línea 34, nos hace notar que no han observado lo que ocurre a su alrededor pues hay varios ejemplos de la vida cotidiana que muestran que el aceite vegetal es menos denso que el agua, como cuando en las casas se cocinan los frijoles o la sopa de pasta o de verduras y el aceite flota porque es menos denso que el agua e inmiscible con ella. Lo mismo ocurre al cocinar las piezas de pollo con agua: la grasa del pollo flota.

El agua no disuelve ni el aceite ni el petróleo y por eso forman una capa aparte; es decir, se trata de una mezcla hete-

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de aniversario

rogénea en la que pueden observarse las diferencias de las densidades de los dos líquidos.

También la profesora podría pedir que verifiquen las densidades que se encontraron en la tabla, preguntarles: ¿cómo se pueden verificar?, ¿son ciertas?, ¿realmente cambian a distintas temperaturas?, ¿por qué?, ¿qué explica las diferentes densidades? Además puede pedir que determinen la densidad de las sustancias (agua, agua de mar, aceite mineral para motor, aceite lubricante casero, aceites de oliva, coco, ricino, girasol, maíz, almendra o de hígado de bacalao, miel, benceno, éter dietílico, tetracloruro de carbono, alcohol etílico,…).

Otra pregunta que podría formular la profesora a sus alumnos con respecto a la densidad sería: ¿todos los aceites (de cocina, cosméticos, aceite mineral, aceites para motores de automóviles, tanto puros como usados,…) son menos densos que el agua?

Con respecto al agua, ¿qué es más densa el agua o el agua del mar?, ¿por qué?, ¿es cierto o no que el agua en estado sólido es menos densa que el agua en estado líquido?, ¿cuáles son las pruebas de esto?, ¿cómo lo pueden comprobar?, ¿cómo se explican las diferencias? Éstas son preguntas para la reflexión y argumentación porque ella no les estaría preguntando qué es el agua, o qué tipo de estados de la materia existen o cuál es la diferencia entre un líquido o un sólido. Ella tampoco esperaría una explicación de qué es la densidad o cuál es la densidad del agua o cómo se calcula, simplemente espera como respuesta un “sí” o un “no”, es decir, un juicio fáctico (de los hechos) en el que los alumnos reflexionen las preguntas que les hace, recuerden sus experiencias con el hielo y el agua líquida, tomen en cuenta las evidencias o las pruebas de que el hielo sea menos denso que el agua en estado líquido y respondan la pregunta. Si los alumnos recuerdan, entienden lo que se les pide y reflexionan, pueden encontrar evidencias de que el hielo sea menos denso que el agua. Por ejemplo cuando se hayan servido agua en un vaso y hayan observado que al agregarle unos cubos de hielo, los cubos de hielo flotan en el vaso, o bien recordar películas, programas de televisión o caricaturas cuando un lago se cubre de hielo, y al romperlo, el hielo sigue flotando sobre el agua.

En este fragmento hay muchos conceptos implícitos que el alumno debe haber significado, entendido, razonado y aprendido para formar el concepto de densidad (materia, estados de la materia, sólido, líquido, sustancia, clases de sustancias, elemento, compuesto, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, solubilidad, disolución, miscibilidad, inmisci­ bilidad, fases, propiedades físicas, punto de fusión, flotación, medida, medición, cantidad, relación, masa, peso, volumen, fuerza, fuerza de gravedad, fuerzas de atracción y de repulsión, temperatura, escalas de temperatura, átomos, moléculas, enlaces, tipos de enlaces, polaridad, moléculas polares y no polares,…).

Pasemos ahora a revisar otro fragmento El extracto siguiente corresponde a una sesión de laboratorio de Química Orgánica II, con alumnos de cuarto cuatrimestre educación química •

abril de 2009

de la carrera de Farmacéutico en una universidad pública mexicana. Los alumnos tienen entre 20 y 21 años de edad.

Los alumnos iban a obtener dos halogenuros de alquilo (cloruro de t-butilo y bromuro de n-butilo) y un alqueno (isobutileno). Asistieron 12 alumnos, de los cuales nueve eran mujeres. Los alumnos expusieron los mecanismos de las reacciones y se encuentran hablando sobre las velocidades de las reacciones de sustitución nucleofílica uni y bimolecular.

Extracto 2 303 Mo: ¿Cómo... cómo se puede determinar por ejemplo 304 en este caso que la velocidad de la reacción 305 depende del nucleófilo o de la concentración del 306 halogenuro? o ¿cómo es que se determina que 307 depende de la concentración de ambos reactivos?, 308 ¿cómo se determinaría?

309 Gloria: Haciendo dos, dos tipos de... de comparaciones.

310 Bueno, yo pienso que una agregando en alta 311 concentración el nucleófilo y la otra en menor.

312 Hacer precisamente ese análisis paso a paso cada 313 una de las reacciones separadas y ver cuál es más 314 rápido y cuál es más lento.

315 Mo: Cuando hablamos de velocidad de la reacción 316 ¿qué… qué concepto tienen de ello?

317 Fabián: Pues qué tan rápido se combinan.

318 Aos: Qué tan rápido... (varios hablan a la vez y no se

entiende lo que dicen).

319 Mo: A ver, otra vez. Más fuerte.

320 Juan: Qué tan rápido alcanzan el equilibrio.

321 Mo: Eso del equilibrio, ¿se entiende como que hay 322 cantidades iguales de reactivos y de productos?

323 Aa: Sí.

324 Ao: No, yo pienso que cuando alguien reacciona.

325 Mo: Y ¿cómo sé en ese momento quién reacciona más 326 rápido o más lentamente?

Los alumnos guardan silencio.

327 Mo: 328

Regresamos otra vez a la pregunta ¿qué entendemos por velocidad de la reacción?

Los alumnos guardan silencio.

329 Gloria: Bueno... no, sinceramente así no sé, pero 330 supuestamente para sacar la velocidad de la 331 reacción es… es igual a una constante por la 332 concentración. Si es una este… una reacción 333 unimolecular...es entonces por la concentración 334 del… del halogenuro, si es bimolecular por la 335 concentración tanto del halogenuro como del 336 nucleófilo.

337 Mo: Bueno… ¿quién tiene otro concepto de la velocidad 338 de la reacción?

Los alumnos guardan silencio.

339 Mo: ¿Cómo podemos determinar entre dos personas quién 340 es más veloz?

342 Fabián: Poniéndolos a correr.

343 Mo: Poniéndolos a correr.

344 Aa: Tomando tiempos.

345 Mo: Tomando tiempos, ¿qué más?

346 Gloria: Poniéndolos a correr al mismo tiempo.

347 Mo: Y, ¿cómo sabes tú cuando una persona es más veloz

abril de 2009

• educación química

348 que otra?

349 Gloria: Por pruebas. El que llegue a la meta más rápido.

350 Mo: A ver, más fuerte.

351 Gloria: El que llegue a la... a la meta más rápido o a 352 donde tenga que llegar. Por ejemplo, la velocidad 353 de la reacción sería este... la velocidad al 354 llegar a formar los productos hasta que se haya 355 este... finalizado todo.

356 Mo: Será que quién... hablando de lo de la carrera, 357 ¿quién recorre esa distancia en menos tiempo?

358 Aos: Sí (a coro).

359 Mo: Y, ¿hablando de la velocidad de la reacción?

360 Fabián: Quien forme los productos primero.

361 Mo: Quien se transforme en productos en menos tiempo.

362 Ésa es la velocidad de la reacción, o sea el 363 tiempo que transcurre para convertirse de 364 reactivos a productos en... en una reacción.

365 Ahora ya cómo lo determina uno, eso es otra cosa.

La cinética química estudia cómo, qué tan rápido ocurren las reacciones químicas y los factores que afectan la velocidad de reacción (temperatura, concentración,…). Para explicar el significado de velocidad de reacción, Dickson (1992) compara la explosión de un dirigible lleno de hidrógeno y el enmohecimiento de un clavo de fierro. Expone que en 1939, el dirigible “Hindenburg”, lleno de hidrógeno, explotó violentamente mientras aterrizaba en New Jersey. El problema se debió a que el hidrógeno se mezcló con el oxígeno del aire, y al quemarse, reaccionaron violentamente. Una explosión es una reacción química rápida. Confronta la rapidez de la explosión, con el enmohecimiento de un clavo expuesto al medio ambiente. El fierro del clavo reacciona con el oxígeno del aire, pero tarda años para que se convierta todo el fierro a óxido de fierro (polvo amarillo-rojizo). En este caso, el enmohecimiento es una reacción lenta. Después de la comparación explica Dickson (1992) que la velocidad de reacción es “la rapidez con que ocurra el proceso químico” (p. 208).

Chang y Silberberg (2006) ejemplifican que algunas reacciones, como la neutralización, la precipitación o un proceso redox explosivo, parecen llevarse a cabo como las reacciones que ocurren al cocinar o en la oxidación, toman un tiempo moderadamente largo, de minutos a meses. Algunas otras toman mucho más: las reacciones que producen el proceso de envejecimiento en los humanos continúan por décadas, y aquellas en la formación de carbón a partir de plantas muertas toman cientos de millones de años. Es importante conocer qué tan rápido ocurre un cambio químico. Cuán rápido actúa una medicina o se coagula la sangre puede hacer la diferencia entre la vida y la muerte. Cuánto tiempo tarda el pegamento o el cemento en endurecer, el polietileno en formarse o una tela en teñirse puede hacer la diferencia entre ganancias y pérdidas. En general, “las velocidades de estos diversos procesos dependen de las mismas variables, la mayoría de las cuales pueden manipular los químicos para maximizar los rendimientos de un tiempo dado o disminuir una reacción no deseada” (p. 164).

Realizan la siguiente analogía para explicar la velocidad de la reacción. “Suponga por ejemplo, de un caballo de carreras, que medimos su posición inicial (x1) en el tiempo (t1) y su de aniversario

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posición final (x2) en el tiempo (t2). La velocidad promedio del caballo está dada por

velocidad de movimiento =

cambio en la posiciión cambio en el tiempo

=

En el caso de un cambio químico, nos interesa la velocidad de reacción, los cambios en las concentraciones de los reactivos o productos por unidad de tiempo: las concentraciones de los reactivos disminuyen mientras aumentan las concentraciones de los productos” (p. 167).

Vollrath Hopp (1984) dice que si un auto recorre en una hora un trayecto de 50 km, su velocidad de marcha es de 50 km/h.

velocidad =

s 50 km distancia recorrida = = = 50 km h t 1h tiempo empleaado

Así, si en una reacción química se obtienen 50 kg de un producto final durante 1 h, la velocidad de reacción es de 50 kg/h.

Por analogía llega al concepto de velocidad de reacción.

Chang (2002) explica que algunas personas pueden correr rápidamente, otras corren de manera más lenta y otras no corren; lo mismo ocurre con las moléculas: algunas son muy reactivas, otras reaccionan con menor rapidez y otras reaccionan muy lentamente. Así, “el tiempo que Ud. tarda en hornear galletas con chispas de chocolate depende de la velocidad con que el polvo para hornear (bicarbonato de sodio o carbonato ácido de sodio) se descomponga a 350ºF” (p. 547).

Para justificar el efecto del aumento de la concentración de un reactivo en la velocidad de reacción expresa que a medida que aumenta la cantidad de personas en un cuarto pequeño, aumentan las oportunidades de chocar con alguien. De manera semejante si se incrementa la concentración de las moléculas ocurren más colisiones.

La velocidad de reacción es “la variación de la concentración de un reactivo o producto en un sistema” (Ibanez, Hernández-Esparza, Doria-Serrano, Fregoso-Infante y Mohan, 2007, p. 51) o “el intervalo de tiempo que transcurre para que cambie la concentración de reactivos o productos” (Chang, 1997, p. 542, y Keenan, Kleinfelter y Wood, 1992, p. 437) o “la rapidez de aparición de un producto (o productos) o la desaparición de un reactivo (o reactivos)” (Garritz y Chamizo, 1994, p. 655 y Holum, 2004, p. 233). De acuerdo con la teoría sobre las moléculas en colisión, la velocidad de reacción es “el número de colisiones productivas por segundo, por centímetro cúbico” (Holum, 2004, p. 233).

El concepto de velocidad de reacción como otros conceptos relacionados, son conceptos abstractos que difícilmente los alumnos entienden realmente y aprenden.

Garritz (1997) por ejemplo, refiere dificultades de los estudiantes para entender el concepto de equilibrio químico y propone una analogía para explicarlo. Por su parte MedinaValtierra, Martínez-Alvarado y Ramírez-Ortiz (2002) sugie-

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de aniversario

ren otra analogía para dar a entender el mismo concepto.

En este caso nos interesa saber qué significa y que entienden sobre la velocidad de reacción un profesor y su grupo de alumnos. Cabe aclarar que previamente tanto en el bachillerato como en los cursos universitarios de Química General y Química Orgánica I se trabaja el concepto de velocidad de reacción.

En este fragmento, el profesor pregunta a los alumnos qué entienden por velocidad de la reacción. Fabián responde que la velocidad de la reacción les indica qué tan rápido se combinan. Los demás alumnos repiten qué tan rápido, pero varios hablan a la vez y no se entiende lo que plantean. El profesor les pide que respondan otra vez pero más fuerte. Juan contesta diciéndole que la velocidad de la reacción es qué tan rápido alcanzan el equilibrio.

El profesor retoma una de las palabras que menciona Juan y les pregunta a los alumnos que si eso del equilibrio se entiende como que hay cantidades iguales de reactivos y de productos. Una alumna responde que sí y otro alumno dice que él piensa que es cuando alguien reacciona. El profesor toma en cuenta las palabras del alumno y pregunta nuevamente que cómo se sabe en ese momento quién reacciona más rápido o más lento. Los alumnos permanecen en silencio y el profesor insiste en preguntar qué entienden por velocidad de la reacción (línea 327 y 328).

Los alumnos permanecen en silencio y Gloria expone que la velocidad de la reacción tiene que ver con las concentraciones de los halogenuros. Ningún alumno habla y, al parecer, su silencio hace notar al profesor que no es simple para ellos exponer el significado de “velocidad de reacción”. El profesor cambia la pregunta utilizando una analogía con significados cotidianos compartidos, es decir, les pregunta que cómo se puede determinar entre dos personas quién es más veloz. Fabián significa las palabras del profesor y le contesta que poniéndolos a correr, otra alumna, que tomando tiempos y Gloria sostiene que poniéndolos a correr al mismo tiempo. El profesor le pregunta a Gloria que cómo sabe cuando una persona es más veloz que otra. Gloria le contesta que por pruebas, que es más veloz el que llegue a la meta más rápido. El profesor le pide que eso lo diga más fuerte para que escuchen sus compañeros. Gloria repite que el que llegue a la meta más rápido o a donde tenga que llegar. Después Gloria deja de referirse a los significados cotidianos compartidos y expresa que la velocidad de la reacción sería la velocidad al llegar a formar los productos hasta que se haya finalizado todo. El profesor, al parecer, no está de acuerdo con el comentario de Gloria, pues retoma otra vez los significados cotidianos compartidos (líneas 356 y 357). Les vuelve a preguntar si estarían de acuerdo que sería más veloz la persona que recorre la distancia previamente determinada en menos tiempo. Los alumnos a coro le responden que sí. Aquí el profesor está completando los significados compartidos que han de trasladarse a los científicos, dado que la respuesta de Gloria había sido que sería más rápido quien llegara a la meta más rápido y el profesor centra la atención de los alumnos en el recorrido, la diseducación química •

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tancia y el tiempo. Después el profesor pide que trasladen los significados cotidianos a los científicos preguntándoles qué significaría hablar de la velocidad de la reacción.

Fabián contesta al profesor que la velocidad de la reacción está relacionada con “quien forme los productos primero”. El profesor no comparte el traslado de significados hechos por Fabián, ya que él inmediatamente de la línea 361 a 364, traslada los significados compartidos a científicos. Les dice que la velocidad de una reacción química tiene que ver con la rapidez, con el tiempo que transcurre en una reacción para que los reactivos se conviertan en productos. El profesor insiste en el “tiempo” y en la transformación en productos. Después el profesor establece los límites del significado pues señala que otra cosa diferente es cómo determinar la velocidad de la reacción.

El profesor formula el siguiente razonamiento analógico entre significados cotidianos y científicos:

Significados cotidianos compartidos Si la rapidez o velocidad en una carrera entre dos personas es el tiempo que tardan en recorrer una distancia determinada (líneas 356 y 357).

Significados científicos La velocidad de la reacción es el tiempo que transcurre para la transformación de reactivos a productos (líneas 362 a 364).

Relación de significados La velocidad es el tiempo para que ocurra un proceso (el desplazamiento de dos personas de un lugar a otro o una reacción química).

La analogía se construye tan sólo para explicar que así como hay corredores veloces y lentos, hay reacciones químicas rápidas y lentas. La velocidad la relaciona el profesor con la rapidez o el tiempo que se tarda un proceso (líneas 356357 y 362-364). Enfatiza mucho en el tiempo; sin embargo, la velocidad es un cambio en alguna variable (distancia, volumen o concentración) por unidad de tiempo. La velocidad de una reacción química es el cambio de concentración de una sustancia (reactivo o producto) por unidad de tiempo (Chang, 2002; Kotz, Treichel y Patrich, 2003; Silberberg, 1996 y Moore, Kotz, Stanitski, Joesten y Wood, 2000). La velocidad a la cual fluye el agua de una llave es el volumen que fluye por unidad de tiempo (L/min), la velocidad de un automóvil la distancia que recorre por unidad de tiempo (km/h), la velocidad del viento es el promedio aritmético de las velocidades medidas en un lapso de 10 minutos, su unidad de medición es en km/h.

Los alumnos en el fragmento van siguiendo la lógica del profesor cuando utiliza los significados cotidianos, es decir, cuando les pregunta y comentan cómo se puede determinar entre dos personas quién es más veloz en una carrera. Gloria hace un intento por trasladar los significados cotidianos a científicos; sin embargo, no habla del tiempo ni de la rapidez.

El profesor es el que formula el significado científico y no hace más comentarios, aclaraciones o preguntas para indagar abril de 2009

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el alcance del razonamiento. No se puede saber si los alumnos trasladaron el significado cotidiano al científico después de que el profesor expresa lo que significa la velocidad de la reacción, pues inmediatamente pasa a otra cosa. Menos aún podríamos asegurar que los alumnos dieron significado a la similitud.

No es posible conocer más a fondo cómo interpretan los alumnos lo que dice el docente porque él traslada los significados. Tampoco verifica que los alumnos sigan el razonamiento analógico.

Los alumnos escuchan atentamente al docente y se involucran en la sesión cuando se expresan los significados cotidianos, pero no es posible asegurar que todos significaron y entendieron la analogía. De la línea 353 a la 355, Gloria intenta trasladar los significados cotidianos a científicos, pero inmediatamente el docente realiza una evaluación de lo que expresa Gloria y vuelve a los significados cotidianos para formular él la analogía.

Podría estudiarse el efecto que producen las analogías en los alumnos si el docente los hiciera participar más, esperara sus respuestas, los estimulara a plantear sus dudas o les preguntara algo relacionado con lo que quiere dar a entender.

Para que los alumnos entiendan y aprendan lo que es la velocidad de la reacción el profesor puede pedir a los alumnos que ejemplifiquen diferentes tipos de velocidades (de automóviles, personas, animales, fluidos,…) y después que ejemplifiquen reacciones y cómo saber y demostrar lo que es la velocidad de la reacción. Seguramente el alumno ha expe­ rimentado reacciones rápidas y otras lentas, por ejemplo cuando un Alka Seltzer® se agrega a un vaso con agua, la reacción del bicarbonato de sodio con jugo de limón, la oxidación del aguacate, de la papa, de la lechuga…

Según Piaget (1967) la noción racional de velocidad, concebida como una relación entre el espacio recorrido y el tiempo, se elabora en conexión con el tiempo hacia aproximadamente los ocho años de edad.

Conclusiones Todos los seres humanos somos capaces de argumentar y juzgar pues ambas son operaciones mentales que compartimos.

Argumentamos y juzgamos con nosotros mismos y con otras personas en conversaciones informales, sesiones de clase, en entrevistas, en artículos, en debates, en entrevistas, etc. Lo esencial de la argumentación y el juicio fáctico son las pruebas y razones que sustentan un hecho, un conocimiento, una tesis, un problema, un conflicto, una postura…

En los fragmentos analizados destacan dos usos de la argumentación en las clases de química: presentar o ilustrar los contenidos y hacer que los alumnos den significado y entiendan conceptos abstractos mediante ejemplos o analogías con significados cotidianos compartidos. Los argumentos (las pruebas y evidencias) ayudan a los alumnos a recordar y traer a la mente situaciones, experiencias o datos conocidos que posiblemente les permiten entender.

Las estrategias argumentativas utilizadas son la comparación, ejemplificación, descripción y el uso de analogías. de aniversario

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Los profesores validan y demuestran con los ejemplos y analogías los conceptos. Aunque los profesores explícitamente no lo reconozcan, ellos tratan de convencer a sus alumnos con un propósito o intencionalidad: demostrarles que los conocimientos científicos son ciertos. La demostración conduce a juicios fácticos y conclusiones.

No es lo mismo memorizar y repetir la definición de un concepto que haber entendido y formado en la mente ese concepto.

Se requiere elevar el nivel de las operaciones mentales que manejan los alumnos, y promover así más reflexiones, argumentaciones y elaboraciones de sus propios juicios fácticos.

Cuando el profesor usa analogías es conveniente pedir a los alumnos que expresen oralmente o por escrito qué han entendido de la relación que se ha elaborado.

Si queremos que nuestros alumnos aprendan a argumentar y juzgar tendremos que enseñarles cómo hacerlo.

Al iniciar un tema el profesor puede indagar qué saben y qué han entendido de ese tema o de los conceptos que van a trabajar. No debe olvidar que el proceso de cognición empieza con la sensopercepción de colores, olores, sonidos, objetos, etc. Es pertinente que haga que sus alumnos usen sus sentidos: ver, oír, oler gustar, tocar y las diferentes operaciones mentales de los tres niveles. Es clave iniciar el tema con aquello que saben o han oído, visto, tocado o sentido o con lo concreto, es decir, con aquello que pueden pensar viendo, oliendo o tocando para después pasar a operaciones del primer, segundo y tercer nivel. Se requiere partir de los significados cotidianos compartidos y construidos para después pasar a los significados científicos.

Esto parece tan sólo simple sentido común, pero está en dirección opuesta a la enseñanza tradicional de la química, en la cual los profesores presentan primero los conocimientos científicos abstractos por considerar que son lo más relevante y fundamental que les pueden enseñar a sus alumnos. Normalmente los conceptos y teorías son presentados primero y no se le da la oportunidad al alumno de entenderlos, confirmarlos, criticarlos, refutarlos. El profesor no tiene que conformarse con enseñar todo superficialmente y con recibir respuestas cerradas o breves de sus alumnos. Tiene la opción de establecer otra dinámica para las respuestas y formulación de preguntas de los alumnos (por ejemplo, pidiéndoles pruebas y razones que apoyen sus conocimientos o ideas, solicitándoles que consideren otras alternativas o evidencias).

Es pertinente no avanzar en la enseñanza de un concepto nuevo sin verificar que han construido en su mente los conceptos relacionados que le llevarán a entender los nuevos y que ellos hayan confirmado lo que plantean sobre conceptos previos. Estimulemos a los alumnos a buscar argumentos (datos, evidencias, pruebas, razones,..), a demandarles que verifiquen si es cierto o no lo que plantean, a encontrar contradicciones, a presentar argumentos probatorios o revocatorios, a refutar lo presentado. El propósito de aprender a argumentar es el de preparar a los alumnos para que su aprendizaje sea significativo.

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El profesor puede pedirles antes de que termine la clase que recuerden y hagan una síntesis de lo tratado, que expliquen lo que entendieron, que imaginen, que busquen pruebas o ejemplos de lo visto. Además, convencer a sus alumnos que no sirve de casi nada tener conocimientos que no se entienden. También podría decirles que su cabeza es como una cámara fotográfica (o una videocámara), pedirles que retraten (o filmen) en su mente lo que trataron ese día en clase y que elaboren otras fotografías (o videos) en su mente conectando lo que aprendieron con otras cosas que ya saben o les gustaría saber. Que así como memorizan, recuerdan e imaginan a personas —su novio(a) o amigos(as)— y sus experiencias con ellos, hagan el esfuerzo de llevar a su interior, a su mente lo entendido y aprendido. Demandarles constantemente que reúnan pruebas, que las verifiquen, que las confirmen.

Recordemos que no entendemos y aprendemos todos al mismo tiempo, que el alumno necesita darle significado a lo que se está presentando, que tiene que entender, reflexionar, argumentar y juzgar para aprender significativamente.

No olvidemos formularles a los alumnos preguntas que estimulen las operaciones mentales del tercer nivel tales como las siguientes: ¿cómo se puede comprobar?, ¿cuáles son las pruebas, evidencias o razonamientos?, ¿qué demuestran las pruebas?, ¿no son contradictorias las pruebas?, ¿es lógico el resultado de…?, ¿por qué?, ¿en verdad es o no es así en la realidad?, ¿es correcto o incorrecto?, ¿es verdadero o falso?, ¿estás seguro(a)?).

Dejo abiertas algunas interrogantes para reflexionar ¿cuántas lagunas, dudas, confusiones, contradicciones y preguntas dejamos en nuestros alumnos cuando les enseñamos o cuando llevamos al pie de la letra el programa o el contenido de un texto?, ¿qué podemos hacer?, ¿qué privilegiar, terminar el contenido del curso o permitir el desarrollo intelectual del alumno?, ¿podríamos girar las sesiones de clases en torno del alumno y sus operaciones mentales (pensar, reflexionar, argumentar y juzgar) en lugar de en torno del conocimiento?

Como profesores ¿realmente hemos entendido y juzgado todo lo que enseñamos?

Termino el artículo felicitando al Comité Editorial de Educación Química, a quienes contribuyen con sus textos, a los dictaminadores y a los lectores por el XX Aniversario de la revista. Asimismo, agradezco sinceramente que me hayan invitado a escribir para este número al Comité Editorial y particularmente al Dr. Andoni Garritz Ruiz.

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documentos: “argumentación en el salón de clases”

Hacia una pedagogía más social en la educación científica: el papel de la argumentación Jonathan Osborne*

Abstract (Towards a more social pedagogy in science education: the role of argumentation) This presentation will argue that one of the major problems school science suffers from is a pedagogy which is dominated by the conduit metaphor of teaching. This is the idea that communication is a one way process where teachers conceive of themselves as didactic disseminators of knowledge. When teachers were the sole source of knowledge in a community, such a concept was difficult to challenge. However, in a contemporary context, where young people have access to a growing range of interactive technologies to engage in creative and autonomous self-expression, the predominance of such authoritative modes of interaction are open to question and are, in part, responsible for much of young people’s disaffection with school science. Moreover, the range of alternatives begins to expose the inherent functional ineffectiveness. This presentation will argue, rather, that it is dialogic modes of interaction which are an essential element of learning and teaching in the 21st Century.

These offer students the opportunity to engage in deliberative interaction about the ideas of science and to construct a deeper and more meaningful understanding of what science offers.

Drawing on the work that I and colleagues have conducted in argumentation, I will show how the four essential elements to any science education—the development of conceptual understanding; the improvement of cognitive reasoning; improving students’ understanding of the epistemic nature of science; and affording an affective experience which is both positive and engaging—can all be facilitated through a focus on argumentation.

Keywords: argumentation, science teaching, social pedagogy, dialogism

Resumen Esta presentación argumentará que uno de los problemas más grandes que padece la ciencia en la escuela es el de una pedagogía dominada por la metáfora de la enseñanza como «conducto». Ésta es la idea de que la comunicación es un proceso de una sola vía en el cual los profesores se ven a sí mismos como diseminadores didácticos del conocimiento. Cuando los profesores eran la única fuente de conocimiento en una co-

* King’s College London E-Mail: Jonathan.Osborne@kcl.ac.uk Actualmente como “Californian Chair of Science” School of Education, Stanford University 485 Lasuen Mall, Stanford, CA 94305, USA E-Mail: osborne@stanford.edu Tradución del inglés de la Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, 7(1), 2007, con la autorización de su editora Isabel Gomes Rodrigues Martins, de la Universidad Federal de Río de Janeiro, y del autor Jonathan Osborne, realizada por Elia Arjonilla y Andoni Garritz. La revista puede consultarse en la URL http://www.fae.ufmg.br/abrapec/revista/index.html

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documentos

munidad, tal concepto era difícil de desafiar. Sin embargo, en un contexto contemporáneo, en el que los jóvenes tienen acceso a tecnologías interactivas para involucrarse en la autoexpresión creativa y autónoma, el predominio de tales modos autoritarios de interacción está abierto al cuestionamiento y es, en parte, responsable de mucho del desafecto de los jóvenes por la ciencia escolar. Es más, el rango de alternativas empieza a exponer la ineficacia funcional inherente. Esta presentación argumentará, más bien, que son los modos dialógicos de interacción los que resultan un elemento esencial de la enseñanza y el aprendizaje en el siglo XXI. Ellos proporcionan a los estudiantes la oportunidad de involucrarse en una interacción deliberativa acerca de las ideas de la ciencia y a construir una comprensión más profunda y significativa de lo que la ciencia ofrece. Elaborando sobre el trabajo que mis colegas y yo hemos conducido sobre argumentación, mostraré cómo los cuatro elementos esenciales de cualquier educación científica —el desarrollo de la compresión conceptual; la mejora del razonamiento cognitivo; el incremento de la comprensión de los estudiantes acerca de la naturaleza epistémica de la ciencia, y la proporción de una experiencia afectiva que es tanto positiva como atractiva— pueden todos ellos ser facilitados a través de enfocarse en la argumentación. educación química •

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Introducción: ¿El papel de la enseñanza dialógica en la ciencia escolar es ir más allá de la transmisión?

A través del planeta es posible encontrar el mismo tipo de lección de ciencia en la escuela —una que está esencial y profundamente enraizada en la visión de que la función de la educación es la de transmitir parte del capital cultural que constituye el canon de la ciencia. En sí mismo, no hay nada particularmente incorrecto con ello. La función de la educación es la de asegurar que los jóvenes tengan acceso a lo mejor de lo que vale la pena conocer —en este caso, a las mejores explicaciones que tenemos del mundo material y a alguna comprensión de lo que es comúnmente denominado por ‘cómo funciona la ciencia’ o ‘ideas acerca de la ciencia’. Como una acotación, vale la pena hacer notar que este referente no es lo mismo que naturaleza de la ciencia. Este término particular está restringido a lo que los filósofos tienen que decir acerca de la ciencia, mientras que ‘cómo funciona la ciencia’ es un conjunto más amplio de conceptos acerca de la ciencia que incluye alguna idea de las prácticas sociales de la ciencia y los conceptos de riesgo y su evaluación.

Fue Reddy (1979) quien más elegantemente argumentó que nuestras ideas sobre la educación estaban dominadas por la metáfora del ‘conducto’. Desde su perspectiva, el conocimiento es concebido como un objeto que debe ser transferido de una persona a otra. Como lo señaló, eso está profundamente embebido en nuestro pensamiento ya que hablamos de la necesidad de ‘pasarlo’ —el ‘lo’ utilizado aquí es claramente alguna forma de elemento del conocimiento objetivado y cosificado, y el referirse a ‘pasar’ implica que la comunicación es en un solo sentido— o de que nuestros estudiantes ‘no lo pescaron’. Asociada con tal discurso está también la noción de que la mayoría de los actos de comunicación son exitosos y que la falla es la excepción, mientras que el testimonio procedente de la realización de la mayoría de los actos comunicativos, y de nuestra experiencia diaria, es la opuesta —el fracaso es la norma y el éxito la excepción.

A pesar de la evidencia de que esto es así, como Nystrand et al. (1997) han señalado —a lo ancho del globo terrestre los profesores hablan y los estudiantes escuchan. Los comentarios de Nystrand et al. se basaron en un estudio exhaustivo de la enseñanza del inglés en 58 grupos de 8° grado de la secundaria a lo largo de dos años. Aun en inglés, una materia que podría esperarse que fuera menos autoritaria y más discursiva, su mayor hallazgo fue que: el ‘guión recitación’ de preguntas-respuestas permaneció como el dominante y el discurso en clase fue abrumadoramente de tipo monólogo (monológico). Cuando los profesores no estaban dando clase, los estudiantes estaban ya sea contestando preguntas o terminando tareas. El profesor hizo casi todas las preguntas, pocas preguntas eran auténticas, y pocos profesores le dieron seguimiento a las respuestas de los estudiantes. (Nystrand et al., 1977)

En el caso de la ciencia, la tendencia de los profesores por utilizar tal discurso autoritario, que Mortimer y Scott (2003) han denominado ‘interactivo-autoritario’, es aún más pronunciada, puesto que su materia está, sobre todas las demás, dominada por un cuerpo de conocimiento consensualmente acordado acerca del cual no hay controversia. Toda posibilidad de algún elemento de interpretación o provisionalidad en las ideas que la ciencia escolar tiene que ofrecer, ha sido cuidadosamente eliminada por un proceso en el cual el conocimiento científico cambia del Tipo 1 al Tipo 5 (Latour & Woolgar, 1986) (ver la tabla 1).

A través de tal proceso, el conocimiento en la ciencia es transformado de ser un conjunto de afirmaciones debatibles acerca del mundo, a ser un conjunto de ‘hechos’ no debatido ni cuestionado. En este proceso, la primera cosa que sucede es la eliminación de cualquier naturaleza histórica de tal conocimiento. El cómo este conocimiento llegó a ser y la lucha mediante la cual se obtuvo son simplemente olvidados. En un sentido, a diferencia de las humanidades, esto es así porque el proyecto de la ciencia es un cierre. Una vez que la comunidad ha llegado a un acuerdo sobre cualquier idea dada —por ejemplo, la estructura del ADN, el origen de los elementos o la existencia del electrón— simplemente sigue adelante. El acuerdo consensual de la comunidad científica de que ello representa la mejor comprensión disponible que tenemos, otorga a tal conocimiento una autoridad que pocos pueden retar —menos que nadie el estudiante neófito.

El resultado es doble. Primero, la ciencia escolar aparece como monolítica —un cuerpo de conocimientos que no se cuestiona, no se debate y no se equivoca. El resultado es que la ciencia escolar permanece como la última materia sociointelectual que es autoritaria en el currículum (Ravetz, 2002).

Las matemáticas, por ejemplo, tienen más que ver con desarrollar la comprensión de un conjunto limitado de conceptos matemáticos y su aplicación al proceso de indagación en contextos matemáticos. Y mucha de la Historia en la escuela, al menos en el Reino Unido, se ha alejado de tratar el conocimiento histórico como un canon de hechos bien establecidos, a ser un campo que busca mostrar que es un proceso de interpretar y sopesar la evidencia histórica para construir una interpretación de acontecimientos pasados.

No ha ocurrido tal revolución paradigmática en la ciencia escolar. Más bien, lo que hemos observado durante las tres décadas pasadas es la gradual adición de aún más conocimientos al catálogo de ‘hechos’ que constituye la ciencia en la escuela. La química, por ejemplo, se ha transformado ella misma de una materia que trataba acerca de la manipulación de los materiales y el desarrollo de conocimientos sobre pruebas y reacciones estándar, a una que ahora rutinariamente se dedica a las explicaciones basadas en modelos (Habraken et al., 2001). La física escolar ahora ha adicionado, al menos en los cursos más avanzados, tópicos tales como los diagramas de Feynman, relatividad especial y el modelo de quarks de la 1

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“Statements are statements…” en el original.

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Tabla 1. Categorías de las aseveraciones científicas.

Tipo 1 Las aseveraciones son especulaciones o conjeturas; generalmente se encuentran al final de un artículo o en discusiones privadas.

Tipo 2 Las aseveraciones son afirmaciones que llamaron la atención sobre las circunstancias que afectan su estatus; generalmente se encuentran en publicaciones de investigación.

Tipo 3 Las aseveraciones son aseveraciones (sic1) con atribución o modalidad que vinculaba la afirmación básica con la fuente de la misma; a menudo se encuentran en artículos de revisión.

Tipo 4 Las aseveraciones son afirmaciones acerca de cosas en el tiempo presente universal; generalmente se encuentran en libros de texto.

Tipo 5 Las aseveraciones son los datos que se ‘dan por hecho’ que rara vez son mencionados excepto por los foráneos.

materia. Tampoco es inmune la biología escolar con un énfasis creciente en las explicaciones biomoleculares (particularmente genéticas) con un énfasis en el desarrollo en vez del estudio de la fisiología. El resultado es un currículum en el que los estudiantes son llevados en vilo a través del panorama científico; donde no hay tiempo para tocar el suelo y mirar; y donde el énfasis está puesto en la adquisición de un extenso cuerpo de información. Que esto es así, tal vez los propios alumnos lo expresan de la manera más elegante en un estudio que hicimos hace siete años para observar las visiones de los estudiantes acerca de su experiencia con la ciencia en la escuela (Osborne & Collins, 2001). El currículum, dijeron, está: todo apretujado, y o lo tomas todo o te entra por un oído y te sale por el otro. Pescas pedazos, entonces se vuelve confuso, entonces juntas los pedazos equivocados y, si no lo entiendes, los profesores no pueden comprender por qué no lo pescaste.

Dominados por copiar, sin tiempo para preguntar: Sííí, estás anotando cosas de la pantalla; no has tenido tiempo de leerlas cuando ya las estás copiando, sólo hasta que las revisas es que piensas ‘no entendí eso y hubiera deseado preguntar’. Pero entonces recuerdas que no tuviste oportunidad de preguntar porque estabas tan ocupado tratando de copiar, que no lo estabas leyendo.

Y donde, ciertamente, no hay oportunidad de discusión de ninguna de las implicaciones: Pero todavía hoy en la mañana estábamos hablando acerca de ingeniería genética… Ella no quiso conocer nuestras opiniones y yo no considero que el currículum les deje, vamos a discutirlo más. Quiero decir ciencia, de acuerdo, puedes aceptar los hechos, pero ¿está bien, estamos autorizados para hacerle esto a los seres humanos?

Aún más, estos hallazgos no son privativos de la experien-

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cia en la ciencia escolar en el Reino Unido. Lyons, basándose en su propio trabajo, un estudio en Suecia y el nuestro, halló que aunque los países pueden ser diferentes, la experiencia de los estudiantes en clase era la misma (Lyons, 2006).

Más problemático es cuando la educación es vista como un proceso de transmisión de información en el que las ideas son de segunda mano, dependientes de la interpretación de las experiencias de otras personas y de la motivación extrínseca para su adquisición. Con tal énfasis, el resultado es que el aprendizaje se vuelve orientado hacia la representación. Tales estudiantes creen que la gente es intrínsecamente lista o tonta —es decir, que los individuos tienen un ‘coeficiente intelectual (IQ) fijo’ y aquellos que sostienen esta perspectiva tienden a evitar cualquier tarea que represente un reto, ya sea por creer que la tarea los rebasa o porque hay un riesgo de fallar que dañará su creencia acerca de su coeficiente intelectual.

En contraste, hay estudiantes que son orientados hacia el aprendizaje o la tarea. Estos estudiantes creen que ellos pueden mejorar por su propio esfuerzo y que pueden aprender de los errores, y están más deseosos de aceptar tareas desafiantes. Los estudiantes en esta segunda categoría sobresalen sobre los otros y lidian mejor con cambios tales como la transición de la escuela a la universidad (Dweck, 2000). Dichos estudiantes están comprometidos en un proceso de creación de conocimiento, aunque por ellos mismos —uno que requiere todas las habilidades del más alto orden de pensamiento; habilidades de razonar, conjeturar, evaluar evidencia, contraargumentar y de motivación intrínseca.

Más importante, como Gilbert (2005) ha argumentado, la metáfora del conocimiento como ‘un objeto’ ya no es de utilidad en el pensamiento educativo. Persiste porque encaja con el pensamiento cotidiano de los individuos, pero es: ahora un serio problema conforme pretendemos reorientar nuestro sistema educativo a las necesidades de la sociedad del conocimiento. Mientras continuemos exprimiendo nuestro pensamiento educativo para encajar con esta metáfora, será imposible para nosotros acomodar formas de conocimiento que no pueden ser vistas como objetos; tales como trabajo de conocimiento, creación de conocimiento, sociedad del conocimiento —ideas que son incompatibles con la metáfora del conocimiento como objeto.

(Gilbert, 2005) La ciencia cognitiva contemporánea ve la habilidad más bien de manera diferente. Para ellos, la habilidad es la capacidad de pensar y aprender. Esta capacidad es altamente maleable. Es desarrollada al sacar o promover las formas básicas de conocer de una persona —es decir, a través de la educación. El propósito de la educación, pues, no es actuar como un colador —clasificando a la gente de acuerdo con los talentos y capacidades que ya tienen, sino desarrollar y estimular sus habilidades. El fracaso de la ciencia escolar en hacer una contribución a tal propósito debe hacer cuestionable su lugar en la mesa del currículum. educación química •

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Uno de los resultados de este estado de cosas, yo argumentaría, es la desbandada de los jóvenes de la ciencia (Osborne, Simon & Collins, 2003; Sjøberg & Schreiner, 2005). De hecho, mi opinión es que la falta de interés en la ciencia escolar es un producto de la falta de concordancia entre los valores comunicados por la ciencia escolar, la forma en la cual es enseñada y las aspiraciones, ideales e identidad en desarrollo de los jóvenes adolescentes. Existe ahora un amplio cuerpo de trabajo que indicaría que el sentido de auto-identidad de los estudiantes es un factor mayor en la forma que responden a las materias escolares (Head, 1979; 1985; Schreiner & Sjøberg, 2007). Desde el trabajo de Goffman (1959), la vida social ha sido vista como una actuación con reglas acordadas en la cual cada faceta de las elecciones y comportamientos colectivos de los individuos, tales como el lenguaje, las acciones, los valores y las creencias, son símbolos tácitos o códigos de identidades sociales. Identidad es a la vez una construcción tanto encarnada como actuada (Holland, Lachoitte, Skinner & Cain, 1998), que es a la vez producida en representación de los individuos y moldeada por su lugar específico en la estructura (por ejemplo, ver Archer & Yamashita, 2003). Las identidades son comprendidas, por consiguiente, como discursiva y contextualmente producidas (por ejemplo, producidas a través de relaciones e interacciones con lugares y espacios específicos) —y como profundamente relacionales. O sea, un sentido de sí mismo es construido tanto a través de un sentido de qué/quién no es uno, como a través del sentido de quién/qué sí se es (Said 1978).

En este contexto, un aspecto importante de la vida contemporánea es el siempre creciente intervalo de elección acoplado con el crecimiento de las tecnologías de la comuni­ cación, tales como los teléfonos celulares y el internet con acceso a un más amplio ámbito de fuentes de información (Buckingham, 2000; Sefton-Green, 2007). Tales tecnologías hacen énfasis en la conectividad por sobre la autonomía, los procesos sobre los productos, y los sistemas sobre los detalles; y posibilitan la auto-expresión y la construcción de la identidad. Myspace y Facebook, las redes sociales, son ejemplos arquetípicos. El conocimiento para los jóvenes de hoy en día se vuelve un objeto a ser adquirido cómo y cuándo se le necesita a través de la interacción social y dialógica más que mediante la recepción pasiva. Por consiguiente, el contexto cultural cambiante hace a las escuelas instituciones cuestionables cuyo valor tiene que ser demostrado y ganado y donde el profesor y los textos ya no son la única fuente de conocimiento, sino una de tantas. Lo que estamos viendo es una lenta transformación cultural en la naturaleza del aprendizaje donde las materias, cuyos valores educacionales están enraizados en los paradigmas de educación del siglo XIX como un proceso de transmisión de conocimiento, están siendo crecientemente cuestionadas; más evidentemente, por la renuencia de los estudiantes a escuchar.

Más bien, lo que reside en el corazón de la sociedad contemporánea —el proceso de generación del conocimiento— coloca un énfasis en las habilidades del más alto orden de abril de 2009

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pensamiento: construir argumentos, hacer preguntas de investigación, hacer comparaciones, resolver problemas complejos no algorítmicos, lidiar con controversias, identificar asunciones ocultas, clasificar y establecer relaciones causales (Zohar, 2006). Cualquier experiencia educativa que no ofrezca alguna de estas características cognitivas, como el currículum de ciencia escolar, es tal vez, no sorprendentemente, de interés disminuido para muchos jóvenes contemporáneos.

El papel de la enseñanza dialógica La interacción dialógica es la interacción normativa en la sociedad. Su forma básica es una interacción entre individuos, quienes a pesar de que pueden diferir en sus conocimientos, habilidades y capacidades, se reconocen y respetan entre sí.

En su óptima expresión, tal interacción se caracteriza por su naturaleza colectiva, recíproca, de apoyo, acumulativa e intencional (Alexander, 2005). Más fundamentalmente, es auténtica —todos los participantes pueden ver el propósito inmediato y el valor potencial de tal discusión, lo cual contrasta fuertemente con el guión recitado de preguntas y respuestas que domina el salón de clases típico, un patrón de discurso que permanece como el único dominio de los contextos de la educación formal que es tanto ajeno como alienante.

La indagación dialógica es central para la enseñanza ya que demanda el uso de procesos epistémicos —describir, explicar, predecir, argüir, criticar, explicar y definir (Ohlssson,1996)— todos los cuales son también torales para la ciencia y son rasgos de la interacción dialógica. La aproximación dialógica a la pedagogía en la ciencia escolar, así pues, busca desarrollar un ambiente en el salón de clases que es colectivo, en el sentido que maestros y alumnos enfrentan la tarea de aprender juntos; recíproco en el sentido que ambos se escuchan mutuamente y consideran puntos de vista alternativos; de apoyo en que los alumnos articulan sus ideas libremente ayudándose entre sí para alcanzar comprensiones comunes; acumulativo en que los profesores y los alumnos construyen sus propias ideas y las ideas de los otros, e intencional en que los profesores planean y facilitan la enseñanza dialógica con objetivos educativos a la vista y bien definidos (Alexander, 2005).

A lo largo de las últimas dos décadas se ha acumulado un cuerpo de literatura que ha empezado a demostrar la eficacia de las aproximaciones basadas en una aproximación más dialógica a la enseñanza para el aprendizaje de la ciencia. Por ejemplo, el trabajo de Alverman y Hynd (Alverman, Qian & Hynd, 1995; Hynd & Alverman, 1986) ha demostrado de manera concluyente que los estudiantes que se interesan en la discusión de textos científicos y exploran porqué la respuesta incorrecta es incorrecta, así como por qué la respuesta correcta es correcta, desarrollan una comprensión conceptual realzada en comparación con aquellos estudiantes que no han tenido tal oportunidad.

De igual forma, Anat Zohar en su trabajo con estudiantes de secundaria relativo al fomento de las habilidades de argumentación en los estudiantes en el contexto del aprendizaje de genética encontró: documentos

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que los estudiantes en el grupo experimental calificaron significativamente más alto que los estudiantes en el grupo control en una prueba de conocimiento genético. Una evaluación basada tanto en tareas escritas como en análisis del discurso también reveló varios hallazgos importantes acerca de las habilidades de argumentación. El análisis de tareas escritas mostró un incremento en el número de justificaciones y en la complejidad de los argumentos. Los estudiantes fueron también capaces de transferir habilidades de razonamiento enseñadas en el contexto de dilemas bioéticos al contexto de la vida cotidiana.

Y, en un estudio en aulas de primaria, Mercer et al. (2004) han mostrado que los estudiantes que recibieron la oportu­ nidad de involucrarse en una conversación colaborativa acerca de las tareas científicas que estaban realizando, sobrepasaron significativamente al grupo control que no recibió dicha oportunidad.

Hallazgos similares emergen del trabajo de Barron (2003) quien encontró que estudiantes en 12 tríadas de 6° grado significativamente sobresalieron por sobre aquéllos que no se habían involucrado en la discusión; del trabajo de Herrenkohl et al. (1999) quienes hallaron que el uso activo de la discusión permitió a los estudiantes desarrollar las ‘herramientas intelectuales para hacer preguntas de otros que en última instancia permitieron a los estudiantes negociar un significado compartido de teoría’; del trabajo de Howe con pequeños grupos quien ha mostrado cómo las discusiones en pe­queños grupos pueden mejorar significativamente el aprendizaje conceptual de la ciencia (Howe, Tolmie, Duchak-Tanner & Rattray, 2000; Howe, Tolmie & Mackenzie, 1995); y de una extensa revisión conducida por Johnson y Johnson (1979). En resumen, existe un cuerpo cada vez mayor de evidencia sobre el gran valor para el aprendizaje de tal pedagogía.

Mucho de este trabajo coloca un énfasis en desarrollar la habilidad de los estudiantes para razonar, para usar estrategias de pensamiento de mayor orden (Zohar, 2004) o conocimiento meta-estratégico en la creencia de que ‘aprender a argumentar es aprender a pensar’ (Billig, 1996). La evidencia de que el sistema educativo es débil para desarrollar este tipo de capacidad de orden superior, deriva del trabajo de Kuhn (1991) quien exploró la capacidad básica de los individuos para utilizar argumentos razonados. Su trabajo investigó las respuestas de los niños y los adultos a preguntas referentes a asuntos sociales problemáticos. Ella concluyó que muchos niños y adultos (especialmente los menos educados) eran muy limitados para coordinar y construir una relación entre la evidencia (los datos) y la teoría (las afirmaciones), lo que resulta esencial para una argumentación válida. Más recientemente, el trabajo de Hogan y Maglienti (2001) al explorar las diferencias entre la habilidad de razonamiento de científicos, estudiantes y no científicos encontró, de igual modo, que la actuación de los últimos dos grupos fue significativamente inferior.

La investigación de Kuhn es importante porque destaca el hecho de que, para la abrumadora mayoría, el uso de argu-

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mentos válidos no se da naturalmente y es adquirido mediante la práctica. La implicación derivada del trabajo de Kuhn y otros es que el argumento es una forma de discurso que necesita ser apropiado por los niños y explícitamente enseñado a través de la instrucción adecuada, la estructuración de tareas y la modelación. Conclusiones semejantes fueron alcanzadas por Hogan y Maglienti (2001, p. 683) quienes argumentaron que “los estudiantes necesitan participar a lo largo del tiempo en discusiones explícitas acerca de las normas y criterios que subyacen al trabajo científico”. Tal evidencia sugeriría que nuestros sistemas educativos no son efectivos en desarrollar la habilidad general de los estudiantes para razonar. La inferencia obvia es que tales habilidades no son explícitamente enseñadas o enfatizadas. Si así es, ¿cómo puede transformarse este estado de cosas?

Indudablemente, la recomendación general referente a cómo estructurar la discusión y la argumentación exitosa, puede encontrarse en la literatura (por ejemplo, Dillon, 1994) o en otras disciplinas (Andrews, 1995). Sin embargo, sólo un poco ha sido ubicado dentro del contexto específico del aula de ciencia. De hecho, a través de la literatura el asunto de cómo transformar la pedagogía de los profesores es constantemente señalado. Mercer señala una de las principales razones por las que el uso de la enseñanza dialógica es infrecuente, argumentando que los profesores carecen de una concepción de su valor o de cómo estructurar efectivamente mucha de su dudosa calidad ya que a los niños no se les ofrece: una clara concepción de lo que se espera que hagan, o de lo que constituiría una buena, efectiva discusión. Esto no es sorprendente, ya que muchos niños pueden rara vez encontrar ejemplos de tal discusión en sus vidas fuera de la escuela —y los profesores rara vez hacen explícitas a los niños sus propias expectativas o criterios sobre una discusión efectiva.

Conclusiones similares fueron alcanzadas por Barron (2003, p. 345) quien reconoció: que puede ser desafiante aun para profesores expertos quienes tienen objetivos claros y profunda comprensión para desarrollar nuevas normas discursivas. Son agudos, dados los muchos aspectos de manejar los requerimientos de colaboración en el espacio dual, es como si los profesores pudieran beneficiarse del desarrollo de casos en video que destaquen cuestiones contrastantes y conecten interacción con productos del aprendizaje y con sus propias prácticas del discurso. (Barron, 2003) Y de igual forma, para Herrenkohl (1999, p. 487), quien argumentó: claramente, esta forma de instrucción plantea retos significativos al profesor quien está identificando los hilos de las discusiones en clase, involucrando a los estudiantes en la educación química •

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evaluación del pensamiento propio y de sus pares, reflejando las ideas que están en juego, y generalmente dándole forma al discurso. (Herrenkohl, 1999) El reto de transformar la práctica es considerable y conclusiones similares fueron alcanzadas cuando trabajábamos en nuestro proyecto de ‘Realce de la calidad de la argumentación en la ciencia escolar’ (Osborne, Erduran & Simon, 2004).

Transformar la práctica del profesor: El papel de la argumentación ¿Cómo, entonces, es la tarea de cambiar la forma en que la ciencia es enseñada en la escuela? Mi visión ahora, después de muchos años de trabajar en ese campo, es que los argumentos y la argumentación ofrecen a la comunidad de enseñanza de la ciencia un caballo de Troya que puede realizar el cambio en la cultura de la práctica pedagógica hacia una que sea más dialógica. ¿Por qué Argumento en vez de Indagación empírica? Mi respuesta a esto viene de hacer la pregunta epistémica ‘¿cómo sabemos que el día y la noche son causados por la rotación de la Tierra?’. Esta casi trivial pieza de conocimiento es tan lugar común que es enseñada a los alumnos de primaria a lo largo del mundo. La casi universal falta de una buena respuesta a la cuestión revela que la base de la creencia es la de la autoridad —la mayoría de nosotros aceptamos la idea porque nos la dijo alguien cuyo conocimiento valorábamos. Sin embargo, ‘¿por qué’ —se puede usted preguntar— ‘debería ser creída?’ Después de todo, existen buenos argumentos en contra: • El Sol parece moverse.

• Si la Tierra estuviera rotando, uno no debería de aterrizar en el mismo lugar después de brincar.

• Si está rotando, una vez al día, la velocidad en el Ecuador es superior a 1000 millas por hora, lo que debería despedir rápidamente al espacio a la mayoría de la gente.

• Y, con toda seguridad, a esa velocidad deberían haber vientos enormes conforme la Tierra se adelanta a la atmósfera que deja atrás.

La evidencia empírica para nuestras creencias fue demostrada por primera vez por Foucault en 1851 en el Panteón en París.2 Otra evidencia viene de las fotografías de larga exposición del cielo nocturno que muestran a todas las estrellas como si rotaran alrededor de la estrella polar (aunque vale la pena hacer notar que la explicación era creída mucho antes de que hubiera ninguna evidencia empírica, lo cual es otra historia en sí misma). Así pues, la explicación científica se sostiene porque (a) es imposible refutar tal evidencia y (b) podemos justificar por qué los argumentos de que se mueve

2

(N del T) En el Panteón se encuentra un enorme péndulo (de 67 metros de altura con

una masa de 28 kg) que va tirando unas clavijas paradas en el suelo, lo que evidencia la rotación de la Tierra.

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el Sol son incorrectos. El conocimiento científico seguro depende tanto de la habilidad de refutar y reconocer argumentos científicos pobres como de la habilidad de reproducir la visión científica correcta. El argumento es, pues, una característica medular de la ciencia y, como corolario, debería ser una característica distintiva de cualquier educación científica (Driver, Newton & Osborne, 2000; Newton, Driver & Osborne, 1999). Lo que es más, los profesores de ciencia implícitamente reconocen este argumento —particularmente como he encontrado— cuando están preocupados por la dificultad que tienen en proporcionar la evidencia, cuando se les pidiera, para convencer a sus estudiantes de que la materia está hecha de átomos; de que vivimos en el fondo de un mar de aire; o de que la materia se conserva en una reacción química. Tales ideas son, después de todo, no evidentes por sí mismas. Aun un conocimiento de paso de la historia de la ciencia demostrará que sus logros fueron en muchos casos el producto de muchos años de deliberación intelectual (Matthews, 1994). Más importante, la base epistémica de la ciencia es un compromiso de la evidencia como base de la creencia y no de la autoridad (Matthews, 1994; Siegel, 1989). Confrontados con la evidencia de que su práctica puede carecer de oportunidades para considerar por qué creemos lo que creemos, muchos profesores están suficientemente perturbados o insatisfechos para estar preparados para actividades triviales que exponen el concepto de que las ideas en ciencia son el producto de teorías en competencia.

Sin embargo, tales oportunidades necesitan ser bien estructuradas y claramente definidas ya que son inherentemente desafiantes para cualquier profesor. ¿Por qué? Porque el proyecto retórico del profesor es el de persuadir a sus estudiantes de la validez de la visión científica del mundo. En tal contexto, inclusive los experimentos de los estudiantes son ‘auto-demostraciones’ que ‘llevan el aún más fuerte mensaje implícito de que nuestra comprensión y consecuente control de los materiales y sucesos es tan bueno que yo (el profesor) ni siquiera tengo que hacerlo para ti, sino que lo puedes hacer tú mismo.’ (Millar, 1998). El efecto es que un resultado exitoso persuade a los estudiantes del maestro a dar ‘más confianza en la cadena de razonamiento que condujo a la predicción del resultado esperado’ —en breve, la visión científica del mundo.

Esto explica por qué los profesores hacen esfuerzos considerables para ‘amañar’ o ‘prestidigitar’ sus experimentos y demostraciones para alcanzar el necesario efecto deseado (Nott & Smith, 1995). Nótese que en tal proceso no se consideran alternativas —los experimentos y demostraciones son cuidadosamente elegidos porque sirven bien a los argumentos del profesor. La retórica del profesor es un tipo de pseudo-diálogo de visiones alternativas; rara vez son permitidos alegatos en contra o desafíos, ni se diga tenidos en consideración. En contraste, involucrarse en un proceso de argumentación para deliberar acerca de teorías científicas, ideas y la evidencia que las soporta, requiere un cambio gestalt. Además, el tiempo es precioso en las escuelas; las oportunidades para el diálogo y la deliberación requieren tiempo y puede parecer que carecen documentos

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de propósitos y de resultados claros. Finalmente, probar nuevas prácticas es riesgoso para los profesores —los coloca en una zona donde se mueven de una situación confortable a una de incomodidad, de tener el control a la incertidumbre, y de la competencia a la incompetencia.

Nuestro trabajo sobre la argumentación en la ciencia escolar empezó a abordar este asunto. Primero ha demostrado que es posible desarrollar las habilidades de los estudiantes para razonar en un contexto en el cual el diálogo es estructurado y apoyado. Para llevar a cabo este trabajo, primero desarrollamos un esquema basado en Toulmin para analizar la calidad del argumento (Erduran, Osborne & Simon, 2004). Traba­ jando inicialmente con 12 profesores para desarrollar sus habilidades y experiencia en el primer año, tomamos los estudiantes de los seis profesores que habían hecho más progresos para reunir información de base de dos grupos de niños en cada clase acerca de la calidad del argumento obtenido en un ejercicio que incluyó argumentación socio-económica (si construir o no un nuevo zoológico), en un intervalo de contextos científicos. Los profesores entonces utilizaron un mínimo de ocho actividades dialógicas basadas en argumentos a lo largo del curso de un año. Nosotros repetimos el ejercicio un año después para encontrar si sus habilidades habían mejorado comparadas con las de un grupo control que no había utilizado tales actividades. Las habilidades del grupo de intervención habían mejorado comparadas con las del grupo de control, pero no significativamente. Nuestra hipótesis aquí es que la adquisición de tales habilidades es un proceso de largo plazo que toma significativamente más tiempo que un año.

Sin embargo, nuestra evidencia junto con la de otros, proporciona credibilidad y ayuda a convencer a los profesores de que tales aproximaciones pueden ser efectivas, si se adoptan.

Más fundamentalmente, nosotros reconocimos que argumentar es un proceso que necesita ser explícitamente enseñado a través de proporcionar una actividad apropiada, apoyo y modelación (Simon, Erduran &Osborne, 2006). Otros investigadores han alcanzado semejantes conclusiones (Hogan & Maglienti, 2001; Zohar & Nemet, 2002). Traducir los hallazgos de la investigación de nuestro trabajo sobre argumentación y nuestro trabajo sobre la enseñanza de las ‘ideas acerca de la ciencia’ en una forma que fuera accesible a los profesores fue, sin embargo, una tarea no trivial. El debate que existe en la literatura acerca del desarrollo profesional de los profesores es esencialmente entre aquellos que primero buscan transformar sus valores, lo cual, a su vez, conduciría entonces a un cambio en su práctica (Putnam & Borko, 2000), y aquéllos que buscarían transformar la práctica cuyos resultados positivos en compromiso y aprendizaje conduciría entonces a reconsiderar sus valores (Guskey, 2002).

Además, la investigación sobre el desarrollo profesional de los profesores (Guskey, 2002; Joyce & Showers, 2002) ha mostrado que un elemento esencial, entre otros, del desarrollo profesional efectivo es el entrenamiento mediante el cual los profesores tienen la oportunidad de ver prácticas novedosas o diferentes. Entonces, basándonos en el trabajo de Joyce

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y Showers (2002), fuimos conducidos a creer que lo que necesitábamos eran ejemplares de videos del tipo de práctica que buscábamos establecer. Así pues, trabajando con nuestro grupo original de seis profesores comprometidos, desarrollamos los materiales IDEAS (Acrónimo de Ideas, Evidencia y Argumento en Educación Científica en inglés) consistentes en un DVD de dos cortos y talleres para el desarrollo continuo de los profesores en este terreno (Obsborne, Erduran & Simon, 2004). Este paquete se basó en estos ejemplares en video de las prácticas y estrategias que utilizan profesores experimentados en el aula. Además, incorporaba un conjunto de materiales de clase innovadores y sencillos para utilizarse por los profesores en apoyo de su enseñanza de ideas, evidencia y argumento en ciencia. Estos materiales fueron producidos como parte de un ciclo de desarrollo que incluía un periodo de prueba con un grupo de profesores. La retroalimentación de estos profesores fue entonces utilizada para modificar y mejorar tanto los materiales impresos como el video de entrenamiento.

Los materiales que hemos desarrollado tienen esencialmente seis temas: 1. Introducción del argumento: Los profesores requieren algún conocimiento teórico y un metalenguaje para hablar acerca del argumento. Para muchos, el lenguaje de ideas, evidencias, datos, razones y justificaciones son un discurso desconocido y se requieren simples ejercicios para desarrollar su conocimiento y para ayudarlos a percibir las explicaciones científicas como una forma de argumento 2. Manejo de las discusiones en grupos pequeños: Históricamente, en la mayoría de las clases de ciencia los pequeños grupos de discusión se han practicado en una proporción mínima (Newton, Driver & Osborne, 1999; Sands, 1981).

Los profesores carecen del repertorio de estrategias básicas tales como grupos de dos; pares a cuartetos; enviados3 —o tríadas de escuchas que pueden utilizarse para estructurar discusiones de grupo que han sido desarrolladas y usadas en otras áreas curriculares (Johnson, Johnson & Johnson-Houlbec, 2002). Adicionalmente, ellos necesitan considerar qué tan grandes deberían ser los grupos y si deberían ser heterogéneos u homogéneos. Tal conocimiento es crítico para una pedagogía exitosa.

3. Enseñanza de la argumentación: Los profesores necesitan un conocimiento de las habilidades necesarias para sustentar el andamiaje de la argumentación en sus estudiantes. Por ejemplo, cómo estimular a los estudiantes a escuchar —una habilidad de la que muchos estudiantes carecen; cómo reconocer los elementos de un argumento y usar un meta-lenguaje apropiado con los estudiantes; cómo ejemplificar casos de argumentos buenos y débiles; cómo adoptar la posición contraria y desafiar las ideas de los estudiantes para estimular la contra-argumenta-

3

“envoys” en el original, aunque explica de lo que se trata en el texto inmediatamente

después.

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ción; y la habilidad de demostrar cómo se justifican los argumentos.

4. Recursos para la argumentación: En primera instancia, los profesores necesitan un conjunto de recursos ya elaborados para las actividades de argumentación. Éstos son el equivalente culinario de la comida pre-cocinada —una actividad de anaquel cuyas instrucciones pueden ser seguidas a la letra y luego considerados los productos. El paquete IDEAS contiene 15 de estas actividades desarrolladas por profesores que ejemplifican los marcos de referencia para la argumentación discutidos en Osborne et al.

(2004).

5. Evaluación del argumento: Conforme los estudiantes se enfrascan en la deliberación dialógica y argumentativa, el profesor tiene que hacer rápidos juicios acerca de la calidad del argumento. Si éste es débil, su responsabilidad es intervenir y retar al grupo a mejorar la calidad de su argumento. Las actividades basadas en la argumentación son desafiantes para cualquier profesor de ciencia, quien requiere un conocimiento seguro de la disciplina para evaluar la relevancia de los muchos puntos que los estudiantes plantearán.

6. Modelación del argumento: Éste es un proceso de representación ante un estudiante sobre: en qué consiste un argumento; cuáles son sus partes componentes; y qué hace un argumento mejor que otro. Un ejemplo de este proceso puede encontrarse en nuestro trabajo en Simon et al. (2006) donde el profesor modeló el proceso de producir un buen argumento: Sarah: Y nosotros estamos tratando de pensar esta mañana acerca de qué tipo de cosas harán un buen argumento. ¿Cómo van ustedes a persuadir a esta agencia de que sí, que los zoológicos deben ser abiertos? Ustedes necesitan ofrecer argumentos fuertes o, si no lo quieren, argumentos fuertes en contra. Así que ¿qué tipo de cosas piensan que necesitan para hacer un buen argumento? ¿Cómo van a hacer que su argumento sea fuerte?

Estudiante: Apoyándolos Sarah: ¿Apoyándolos? ¿Qué quieres decir con eso, Ema? ¿Cómo se puede, que quieres decir con apoyándolos?

Estudiante: Usted dice cómo y porqué.

Sarah: Alan, acabo de escuchar una palabra tuya ¿qué dijiste?

Estudiante: Evidencia.

Sarah: Evidencia. ¿Dar evidencia para soportar qué, tus ideas? ¿Tus puntos de vista? Evidencia e ideas para soportarlo. ¿Deberían ser solamente opiniones y sentimientos o deberían ser…?

Estudiante: Hechos.

La habilidad para modelar argumentos con los estudiantes es dependiente de un meta-nivel de conocimiento —que es el abril de 2009

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conocimiento acerca del argumento y su papel en la ciencia.

En muchas formas, es equivalente al conocimiento de la disciplina y es un cuerpo de conocimientos que los profesores deben poseer si van a tener la capacidad de modelar la práctica del argumento con sus estudiantes. Tal práctica es esencial ya que ejemplifica, con ejemplos concretos, el tipo de razonamiento y diálogo que el profesor desea desarrollar.

La siguiente etapa en nuestro trabajo es preguntar ¿en qué forma tal práctica puede ser más efectivamente arraigada en la práctica cotidiana regular de los profesores? El conocimiento actual sugeriría que se requiere una visión más compleja del aprendizaje profesional para provocar un cambio soste­ nido (Bell & Gilbert, 1996; Fullan, 2001; Hoban, 2002; Spillane, 1999). El trabajo de Hoban es particularmente importante aquí, ya que identifica una combinación de condiciones para el aprendizaje de los maestros que se complementan unas con otras para apoyar el cambio. Ellas son una concepción de la enseñanza como una relación dinámica con los estudiantes y con otros profesores, en la cual el cambio invo­ lucra varias cuestiones: incertidumbre; lugar para la reflexión con el propósito de entender los patrones emergentes del cambio; un sentido de propósito que promueve el deseo de cambio; una comunidad para compartir experiencias; oportunidades de acción para probar lo que sí y lo que no funciona en sus aulas; aportaciones conceptuales para ampliar los conocimientos y la experiencia (en este caso, ideas acerca del valor de la argumentación al enseñar ciencia); y, finalmente, tiempo suficiente para ajustarse a los cambios hechos.

Adicionalmente, el trabajo de Spíllane (1999) ofrece un modelo denominado ‘zonas de representación’ el cual utiliza para explicar por qué algunos profesores cambian y otros no, al examinar los límites y restricciones impuestos sobre cualquier profesor dentro de una comunidad profesional. Zonas de representación modela la distancia entre la práctica vigente de los profesores y su comprensión de esa misma práctica, así como los niveles de comprensión y práctica que pueden ser alcanzados a través de la colaboración con otros al utilizar recursos materiales. Estos estudios y perspectivas teóricas del cambio en el profesor sugieren que para arraigar una nueva aproximación en la enseñanza de la ciencia como una práctica normativa, los cambios en pedagogía necesitan ser adoptados no sólo por individuos aislados sino, más bien, por departamentos enteros trabajando en colaboración a lo largo del currículum de las edades de 11 a 19. Nosotros esperamos que el trabajar con los departamentos de esta forma, en el nuevo proyecto de investigación que estamos a punto de empezar, permitirá una transformación del ‘habitus cultural’ en el cual reside mucho del discurso cotidiano de los profesores con sus valores asociados y arraigados acerca de la pedagogía ‘exitosa’.

En conjunto, toda esta investigación sugeriría, entonces, que es la comunidad estrechamente unida de un departamento de ciencia escolar la que puede proporcionar el sistema profesional de aprendizaje en el cual los profesores pueden apoyarse unos a otros a través de la colaboración y la reflexión.

En tal contexto, cualquier cambio en la práctica es menos documentos

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dependiente del entusiasmo de individuos decisivos que pueden cambiar de puesto. De ahí que nosotros busquemos trabajar con los departamentos completos de ciencia de las escuelas, para ver si una masa crítica de profesores deseosos puede apoyar y mantener el cambio que, con el tiempo, conduciría a un cambio en la práctica más comprometido y du­ radero. Aún más, nosotros buscamos construir una comunidad de aprendizaje profesional que trascienda las fronteras de la escuela al reunir, a intervalos regulares, a dos profesores destacados de cada escuela para compartir sus experiencias, conocimientos y comprensión de la práctica efectiva. El desarrollo profesional continuo cooperativo requiere del análisis reflexivo que ayuda a sostener el cambio a través del desarrollo de un lenguaje compartido (Loughran, 2003), en este caso, el de la argumentación y la enseñanza dialógica.

Lo que será clave para este trabajo será cambiar que los profesores vean las manifestaciones de los estudiantes como respuestas a evaluar, por una situación en la cual las aportaciones que hagan sean tratadas como ‘dispositivos para pensar (Wertsch, 1991) —es decir, como una contribución al proceso de construcción del conocimiento donde el uso y la respuesta de los profesores a la palabra del estudiante sea crítica para determinar el valor del diálogo. La argumentación transforma el discurso monológico común del salón de clase de ciencia escolar porque demanda el uso de pequeños grupos de trabajo, la consideración de alternativas plurales y posibilita un discurso que genera en los estudiantes preguntas y contra-argumentos. De esta manera, no sólo los estudiantes llegarán a una comprensión más profunda de los conceptos de la ciencia, sino también adquirirán un sentido de por qué sabemos lo que sabemos y de la lucha necesaria para su producción. Sólo entonces, no solamente ellos tendrán una comprensión de lo que es la idea científica, sino también de cómo se obtuvo y porqué importa. Al final de todo, lo que la ciencia en la escuela ofrecerá es algo que es más interesante y, lo que importa más, más duradero. La ciencia escolar entonces habrá justificado su legítimo lugar en el currículum.

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Auguste Laurent. Radical and radicals Jaime Wisniak*

Abstract Auguste Laurent (1807-1853) was one of the most important chemists of the nineteenth century. He discovered and synthesized a large number of aromatic organic compounds, among them naphthalene derivatives, anthracene, phenanthrene, stilbene, benzil, phthalic acid, phthalic anhydride, and pyrene. His theories about equivalents and radicals were fundamental for destroying the dualistic approach and establish the modern approach of organic chemistry.

He proposed a new rational method of organic classification based on the functional groups present in the molecule that became the basis of the Geneva nomenclature for organic chemistry adopted in 1892, His radical political ideas and his acrid commentaries on the opinion and errors of fellow chemists curbed his academic progress and were an important reason for the poor reception of his advanced ideas during his lifetime.

KEYWORDS: Naphtahlene and derivatives, phthalic acid, coal tar distilation, radicals, type theory, chemical classification and rules

Resumen (Augusto Laurent. Radical y radicales) Auguste Laurent (1807-1853) fue uno de los químicos más importantes del siglo diecinueve. Fue responsable del descubrimiento y la síntesis de un gran número de compuestos orgánicos aromáticos, entre ellos derivados del naftaleno, antraceno, fenantreno, estilbeno, benzilo, ácido ftálico, anhidrido ftálico y pireno. Sus teorías sobre los equivalentes y los radicales fueron fundamentales para destronar el enfoque dualista y establecer el enfoque moderno de la química orgánica.

Propuso un nuevo método racional de clasificación orgánica, basado en los grupos funcionales característicos presentes en la molécula, que fue la base de la nomenclatura de Ginebra para la química orgánica, adoptada en 1892. Sus ideas políticas radicales y sus ácidos comentarios sobre las opiniones y errores de otros químicos frenaron su avance académico y fueron una razón importante para que sus avanzadas ideas no fueran reconocidas adecuadamente en su tiempo.

Life and career Auguste (Augustin) Laurent was born on November 14, 1807, in Folie (today St.-Maurice-les-Langres), near Langres, Haute Marne, the second of the four sons of Jean Baptiste Laurent, a wholesale wine merchant and farmer, and MarieJeanne Maître, the daughter of a merchant from Burgundy.

His parents passed away when he was very young. Laurent early attracted the attention of his teachers, who persuaded his father and then his maternal uncle, to let him proceed to

*Department of Chemical Engineering, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, Israel 84105.

Correo electrónico: wisniak@bgumail.bgu.ac.il Recibido: 29 de julio de 2008; aceptado: 12 de septiembre de 2008.

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higher studies (Potter, 1953). After completing traditional classical studies at the collège of Gray he passed the entrance examination for the École des Mines in Paris and was admitted in 1826. During the summer of 1828 he made a study trip to Germany to learn the techniques used in the cobalt mines. The results of this visit were the subject of a thesis submitted together with Guy Adolphe Arrault (1806-), a fellow student, in partial fulfilment of the requirements for the degree ingénieur des mines (granted to him on December 20, 1830), and also of his first publication (Arrault and Laurent, 1830; Jacques, 1954).

In 1831, instead of taking an industrial job or becoming a civil servant, Laurent followed his scientific inclinations and accepted the position of répétiteur (lecture assistant) for the course given by Jean-Baptiste André Dumas (1800-1884) at the École Centrale des Arts et Manufactures. There he became an expert experimentalist and dedicated himself to research. Already in 1832 he published with Dumas his first memoir on naphthalene that he isolated from coal tar (Laurent, 1832). He quitted his job in 1832 after having his first misunderstandings with Dumas, and accepted the position of directeur des essais chimiques (chief analyst) at the Sèvres Porcelain Factory, which was directed by Alexandre Brongniart (1770-1847), Dumas’s brother in law. At Sèvres he familiarized himself with the chemistry of silicates and developed a method for the analysis of alkaline silicates, simpler and more precise than the ones used then, involving treatment with hydrofluoric acid. It consisted basically of preparing the acid in a platinum tube and directing the fumes produced into the silicate sample. The fluoride generated was then converted into sulfate, and the latter dried completely. The following steps were the standard ones for a sulfate mineral (Laurent, 1835b).

Interested in gaining his independence he became a partner in an industry manufacturing cupric sulfate and also opened a small private school for paying students; both initiaeducación química •

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tives proved to be an economic failure. In 1836 he worked for a short time for a friend, the Parisian perfume manufacturer Ed. Laugier, distilling essences. While at Laugier’s, he began his work for the degree of docteur-ès-sciences, which led to the granting of the degree of bachelier and licencié (October 31, 1837) and to the successful defence of his doctoral thesis at the Sorbonne on December 28, 1837, in front of a committee composed of Pierre-Louis Dulong (1785-1838), César Despretz (1791-1863), and François Sulpice Beudant (17871850). According to Stumper (Stumper, 1953) his doctoral theses were two, one entitled Recherches Diverses de Chimie Organique et Sur la Densité des Argiles Mixtes, and the second, Des Considérations Générales sur les Propriétés Physiques de Atomes et sur leur Forme, but Jacques (Jacques, 1954) claims that the actual titles were Recherches Diverses de Chimie Organique et Sur la Densité des Argiles Cuites å Diverses Températures. In the first thesis Laurent developed the principal ideas of his theory of fundamental and derived radicals in organic chemistry and published it as a memoir in Annales de Chemie (Laurent, 1837a).

In 1836, before defending his doctoral thesis, Laurent directed for 18 months a porcelain factory in Eich, near Luxemburg. There he met M.-L. Schrobilgen, councillor of Supreme Court of Justice and on July 23, 1838 he married his daughter, Anne-Francoise (1820-1914). They had a daughter and a son, Mathieu Paul Hermann (1841-1908). Hermann followed a military career, rising to the rank of officer before he resigned in 1865 to devote himself to mathematics where he achieved prominence (Stumper, 1953).

The porcelain factory closed down in 1838 and on November of the same year Laurent moved from Luxemburg to Bordeaux, where he was appointed to the newly created chair of chemistry at the Faculté des Sciences. He held this position for 10 years, during which he published about 100 papers (Stumper, 1953).

In 1846 he worked for some time at the Collège de France and also he gave a free course on chemistry at the Faculté de Médecine. Afterwards he worked at Antoine-Jerôme Balard’s (1802-1876) laboratory in the new École Normale. In 1848 he obtained a modest position as assayer at the Mint (Potter, 1953).

In 1851 Laurent presented his candidature for the chair of chemistry at the Collège de France left vacant by the resignation of Théophile-Jules Pelouze (1807-1867) and defeated François Ernest Balard (1833-1894), the discoverer of bromine [although Justus von Liebig (1803-1883) claimed that Balard was discovered by bromine!] by thirteen votes to nine.

This election had to be ratified by the Académie des Sciences.

In spite the clear recommendation of the Collège and the favorable opinion of Jean-Baptiste Biot (1774-1862), the famous physicist (Biot, 1850), the Académie disregarded the advice and voted for Balard (35 to 11), probably a sign of the opposition to Laurent’s radical political and chemical ideas (Stumper, 1953).

Having fallen seriously ill, in 1852 he went to recuperate in the south of France, but died in Paris of tuberculosis on abril de 2009

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April 15, 1853, and was buried in the Montparnasse cemetery. His family was awarded a state pension. The town of Langres erected a monument in his memory, which was destroyed during the German occupation of 1940-1944, and rebuilt after the war by the town authorities (Stumper, 1953).

In 1845 Laurent was elected Chevalier de Légion d’Honneur and also corresponding member of the Académie des Sciences, replacing Faraday who had been promoted to Foreign Member. In 1849 he became member of the Chemical Society of London. In 1858 the Académie des Sciences awarded posthumously to Laurent and Gerhardt the Jecker Prize for the Advancement of Organic Chemistry (6140 francs to each of the two widows) (Stumper, 1953).

Laurent left unpublished the manuscript of his book Méthode de Chimie, which was edited by François Joseph Jerôme Nicklés (1821-1899) and published posthumously in 1854 with an introduction by Biot, and subsequently translated into English by William Odling (1828-1921) (Potter, 1953).

Scientific activities The scientific work of Laurent is reflected in more than 200 memoirs and notes and the books Précis de Cristallographie Suivi d’une Méthode Simple d’Analyse au Chalumeau d’Après des Leçons Particulières (Laurent, 1847), Théorie des Radicaux Dérivés et Mémoires sur les Séries Naphthalique et Stilbique (Laurent, 1850), and Méthode de la Chimique (Laurent, 1854). Grimaux’s book (Grimaux, 1900) contains a copy of a large number of the letters exchanged between Laurent and his close friend and collaborator, Charles-Frédéric Gerhardt (1816-1856). Some of his most significant contributions are described below.

1. Organic chemistry Laurent first incursions in organic chemistry were his thorough and meticulous experimental investigations of naphthalene and its derivatives. In 1831, Dumas, who was studying the reactions of halogens upon various hydrocarbons (Dumas, 1828-1846), suggested that Laurent undertook the isolation of naphthalene from coal tar, its purification, analysis, and its reaction with the halogens and nitric acid. John Kidd (1775-1851) discovered naphthalene in 1821 when passing coal tar over an incandescent tube (Kidd, 1821), a procedure yielding very small amounts of the compound. Laurent compared several methods of extracting naphthalene from coal tar and found that the yield could be improved significantly if a current of chlorine was passed over fractional distillates of the tar. The resulting process was of low cost and could be used for the commercial production of naphthalene, if a suitable use was found for it. The method was based on Dumas’ opinion that naphthalene exists preformed in coal tar and can be crystallized when the oils that hold it in solution are destroyed (Dumas, 1828-1846). Using the same method Laurent and Dumas discovered anthracene (paranaphthalene) in 1832 (Laurent, 1835a). Analysis of both naphthalene and para quitarle el polvo

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anthracene proved that they were hydrocarbons containing the same relative proportions of carbon to hydrogen (5:2).

Afterwards, Laurent examined the action of chlorine on naphthalene itself and found two products that he believed were chlorides of naphthalene, one a white crystalline solid, the other an oily liquid, which he assumed to be analogous to the Dutch liquid (ethylene dichloride) on which he had already begun to work (Laurent, 1834; De Milt, 1953). Two years later (1835), after developing the proper special purification and separation steps, he identified three substitution products of naphthalene, the mono-, di-, and tetrachloride.

Laurent obtained from naphthalene numerous chlorine, bromine, sulfonated and nitrated (NO2) substitution products and systematically compared their chemical and physical properties (Laurent, 1840, 1842a; Novitski, 1992).

The preparation of naphthalene was followed by a study of its reactions with chlorine, bromine, and nitric and sulfuric acid anhydrides. Laurent prepared nearly 100 new derivatives of naphthalene with these reagents (Laurent, 1832, 1833; Dumas, 1832). His work led to the discovery of anthraquinone, benzil, phthalic acid (with Dumas), phthalic anhydride, and phthalimide, stilbene, diphenyl, isatin, chrysene and pyrene (Laurent, 1837ef). Laurent also prepared the chlorinated and brominated derivatives of cinchonine, the chlorinated derivatives of cinnamène (styrene); established the exact formula of glycocoll (glycine), benzidine, studied the essences of bitter almond, rue (Ruta graveolens), estragon, cinnamon, aniline, fatty acids, etc. Between 1835 and 1837 he published several important papers (Laurent, 1835a-h, 1837d) on the benzoyl radical and its derivatives, in which he reported the formation of benzil by the action of chlorine on benzoin, and the conversion of benzil into benzilic acid by the action of strong potassium hydroxide solution, and on derivatives of naphthalene. In 1836 he announced the discovery of a new acid, naphthalique (phthalic) prepared by treating hydrochloride de chloronaphtahlèse (naphthalene tetrachloride) with 4-5 times its weight of ordinary nitric acid (Laurent, 1836a). On cooling the solution deposited laminar crystals of phtahlic acid hydrate, which by sublimation produced the anhydrous acid. Laurent studied its physical and chemical properties, and believing the resulting substance to be a naphthalene derivative, named it naphthalenic acid. Jean Charles Galissard de Margnac (1817-1894) determined its correct formula and showed Laurent’s supposition to be wrong, upon which Laurent gave it its present name. Later in 1836, by passing chlorine into the first fraction of the distillate from coal tar, he isolated dichloro-and trichlorophenol. He confirmed the formula of carbolic acid (phenol), which he named phenic acid (phénique, phénhydrate), and introduced the designation of phenyl for phenol derivatives. Laurent prepared phenolsulfonic acid and nitrophenols, and demonstrated the identity between picric acid and trinitrophenol. According to his theory, the latter indicated the presence of trichlorobenzene and suggested the presence of phenol itself in the distillate (Laurent, 1836d). Laurent also

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prepared chlorophénise (trichlorobenzene) from benzene hexachloride by means of alcoholic potash (De Milt, 1953; Stumper, 1953)).

All these achievements made Laurent a major figure in the chemistry and isolation of compounds by the distillation of coal tar.

2. Melon and derivatives This subject is important for two reasons, first it relates to the chemistry of triazines and heptazines, rich-nitrogen compounds that today are becoming significantly valuable (Wilson, 2005), and were discovered during Laurent times, and second, it was the subject of a bitter argument between Laurent and Liebig.

During his studies of the reactions between potassium thiocyanate with ammonia Liebig came across an insoluble honey-colored product, which he named melam and formulated as C6H10N (Liebig, 1830). Heating melam with potassium hydroxide led to the separation of two bases, melamine (C3H6N6) and ammeline (C3H5N5O). The reaction of melam with sulfuric acid yielded a neutral material Liebig named ammelide, C6H9N9O3. The reaction between chlorine and ammonium thiocyanate produced another new material, which he named melon and assigned the formula C3N4 (Liebig, Wöhler, 1830, 1845). Liebig believed that melon was a radical composed of carbon and nitrogen and played the role of a radical generator of mellonures, in the same way that the cyanogen radical generated the cyanides.

Liebig’s results, which constituted the basis of the theory of composite radicals, were proved to be completely wrong

by Laurent and Gerhardt. Gerhardt, in his book Précis de Chimie Organique (Gerhardt, 1844-1845), had already put in doubt the nature of melon as a radical and the existence of melonhydric acid and mellonures. He repeated Liebig’s experiments but came to the wrong conclusion that ammelide was actually a previously unknown melanuric acid, C3N3(NH2)(OH)2 (Gerhardt, 1844).

In March 1846, Laurent and Gerhardt read to the Académie a joint memoir in which they proved the many mistakes that Liebig had done in his work, and with their results led to the ruin of Liebig’s theory of radicals (Laurent and Gerhardt, 1846). In the introduction of their paper they repeated the basic tenets of their new theory about chemical equivalents (corresponding to 4 volumes of vapor): (a) The equivalent of every oxygenated substance contains an even number for oxygen and its replacements, (b) In the equivalent of every substance not containing nitrogen the sum of the hydrogen atoms and its replacements (halogens and metals) is a number divisible by four (c) In the equivalent of each nitrogen-containing substance (and or phosphorus and arsenic) the sum of hydrogen, nitrogen atoms (or their replacements) is also a number divisible by four and (d) The equivalent of all carbonated substance always contains always an even number of equivalents of carbon (or divisible by four with C = 73.5). Then they challenged Liebig’s results with educación química •

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hard words: “The question now is: either our four propositions are incorrect, or Mr. Liebig’s experiences with melon, sulfocyanogen, and their derivatives, are false.”

Laurent and Gerhardt then discussed the preparation, analysis, and formula of the different compounds and concluded that since melon was very difficult to prepare in a very pure form, what Liebig had actually analyzed was an impure sample and had thus reached the wrong conclusions that the compound did not contain hydrogen, that it contained eight atoms of nitrogen, that when heated it decomposed into three volumes of cyanogen and one of nitrogen, and that it should be considered a radical similar to cyanogen. By rigorous chemical analysis Laurent and Gerhardt first proved that the correct formula of melon was C6H3N9 and that melon could not be considered a radical similar to cyanogen. Their experiments proved the many errors done by Liebig, among them that Liebig’s chlorocyanamide yielded actually the double amount of chlorine claimed by Liebig; that his melam was actually a mixture of melon and an isomer of melamine; that melon did not combine directly with potassium, but the reaction took place with release of ammonia and yielded a dibasic salt; that melon produced by calcinating persulfocyanhydric acid (C2H2N2S3) and dissolved in potash, did not yield melonure but a tribasic salt, with the simultaneous release of ammonia; that the cyanic ether reported by Liebig was actually urethane; and finally, that many of the compounds prepared

by Liebig were actually cyanamides. In addition, Liebig prepared ammelide and assigned to it the formula C6H9N9O3, which Laurent and Gerhardt showed should to be C3H4N4O2.

Liebig and Wöhler also claimed they had obtained a new derivative from urea, to which they assigned the formula proposed by Laurent and Gerhardt to be ammelide. They corrected the formula of ammelide and identified it with the product resulting from the dry distillation of urea.

This paper by Laurent and Gerhardt is an excellent example of the caustic manner in which they used to refer to fellow chemists when they found them in error, and explains why the two young scientists were not held in high esteem by their colleagues, in spite of their significant contribution to the development of chemistry. In this paper (Laurent and Gerhardt, 1846) they refer in these terms to Liebig’s findings: “The researches of Mr. Liebig about these substances constitute one of the strongest pieces of evidence quoted to support the theory of radicals that he teaches at Giesen. Since the gas melon is a radical composed of carbon and nitrogen, melonures correspond to cyanides, and hydromelonic acid to hydrocyanic acid and itself is a sulfocynanogen radical…At the time of our last communication we had not yet considered the full work of Liebig. We had modified only part of the theory, and the authority that the name of Liebig represents, seemed to us enough guarantee for his other results. Today, we regret to communicate to the Academy that this confidence was absolutely deceiving, it is not that part of Liebig’s work is wrong, but so is all the history of melon, sulfocyanogen, all their transformations, and all their reactions. In addiabril de 2009

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tion, we are now able to prove that these supposed analogues of cyanogen (melon and sulfocyanogen) do not exist.”

3. The theory of radicals In 1836, Laurent, then a student of Dumas, carried on the chlorination of ethanol (Laurent, 1836) and gave a fatal blow to Berzelius’ views, for chlorine was considered negative and hydrogen positive, yet one could be substituted for the other without making a drastic change in the properties of a compound. Further experimentation by Laurent showed that radicals were not as indestructible and untouchable as Berzelius insisted, and that one must not overemphasize the matter of positive and negative. Eventually, the dualistic theory lost value and the new views of Laurent took over. In the end, Laurent dropped the concept of electrical forces and assumed that an organic molecule had a nucleus (which might be a single atom) to which different radicals could be attached (Laurent, 1837abc).

In his publications about the chlorination and bromination of naphthalene (Laurent, 1833, 1835c) Laurent stated for the first time his theory of fundamental and derived radicals. He wrote: “Naphthalene forms a radical of 56 atoms or 28 equivalents analogous to ethylene (l’hydrogène bicarboné). Put into contact with various bodies (chlorine, bromine, and nitric acid), this radical loses hydrogen, but it always gains in exchange one equivalent of chlorine, bromine, or oxygen, in such a way that there is constantly a radical containing 28 equivalents like naphthalene…these new radicals can exist free or combined. The hydrogen which has been removed either disengages or remains combined with the new radical in the state of HCl, HBr, or water…I will call naphthalene a fundamental radical and derived radicals those which are generated by its transformations” (Notvitstki, 1992). An essential part of the theory was that the radical always retained its characteristics, independent of the substituents that constituted it (oxygen, hydrogen, nitrogen, chlorine, or bromine) (Laurent,1837b; Potter, 1953). In other words, Laurent’s concept of fundamental and derived radicals was that all organic compounds could be classified in groups, in which each member originated from the same fundamental hydrocarbon radical and contained the same constant number of carbon atoms.

Derived radicals were obtained from the fundamental radical when the hydrogen of the latter was replaced by an equivalent quantity of the dehydrogenating substance (Laurent, 1837b, 1843a; Notvitstki, 1992).

The theory about fundamental and derived radicals was given a precise form in Laurent’s doctoral thesis (Laurent, 1837ab). He first described the prevalent ideas among chemists: Although there were many theories, they could be divided into two central ones. One theory postulated that in order for two compounds to react, their molecules had to align side by side to form a new substance in which the atoms of the molecules retained the relative places they had before the reaction. Every chemical substance was formed of two constituents, simple or complex, having opposite electrical para quitarle el polvo

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charges. Their mutual attraction determined the coupling act.

The two constituents could be separated, or at least recognizable. This dualistic theory postulated that in order to prepare a salt, it was enough to contact a basic oxide with an acid one.

The main supporter of the dualistic theory was Jöns Jacob Berzelius (1779-1848). If this representation was easy for a molecule of a simple salt like sodium chloride, composed of positive sodium and negative chlorine, it became very difficult as the salt became more complicated. For example, sulfuric acid combined with one molecule of potassium hydroxide to yield potassium sulfate. In this salt, sulfur remained surrounded by three atoms of oxygen and the potassium atom remained combined with its oxygen atom. In an electric pile the sulfate decomposed into an oxide and an acid, which proved that its formula was SO3 + OK. Other chemists rejected this explanation on geometrical considerations: How was it possible for a molecule having a certain crystalline form to align itself with a molecule having a different crystalline configuration and generate a third species, having a regular and symmetrical structure, incompatible with that of the original reactants?

In the second theory, the formation of compound bodies was explained assuming that many atoms of one compound united with many atoms of the second one, to form a new molecule, in which the atoms were grouped symmetrically, according to a certain regular geometrical structure, without the need for any particular atom to combine specifically with another.

The dualistic theory was easily extended from inorganic to organic chemistry. An organic substance was composed of two different constituents presenting antagonist properties.

Thus alcohol was composed of carbonated hydrogen (ethylene) and water. In this manner alcohol became ethylene hydrate having the binary formula C2H4 • 2O. Although in inorganic chemistry it was not difficult to establish the formula of a compound, the situation was not the same for organic compounds where the elements had such mobility that the same body presented such a myriad of reactions. In these circumstances it was extremely complicated to determine the antagonist elements. For example, oxamide (oxalic acid diamide) under the influence of sulfuric acid converted into oxalic acid and ammonia, or into cyanogen and water, or into ammonia, carbon dioxide and carbon monoxide. The same behavior was observed with acetic acid, formic acid, alcohol, etc. (Laurent, 1843b) To overcome these restrictions, Laurent used his strong background in crystallography to suggest a model for substitution reactions. He compared the organic molecules to a prism from which the ridges could be removed and replaced by different ones capable of filling the same geometric space without destroying the primitive form of the crystal. To illustrate his theory Laurent assumed the hydrocarbon C12H12, which could be represented by a six-face prism in which each of the 12 solid angles was occupied by one of the 12 carbon atoms and the 12 hydrogen atoms were located at the center

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of the basal edges. Addition reactions were represented by suspension of pyramids: Two pyramids could surmount these prisms, one on each base. If the pyramid was water, then the formula of the resulting compound would be C12H12 + 2OH1/2, or 2H2O, and could represent an ether or an alcohol.

If the pyramids were replaced by others of sulfuric acid, HCl, etc., salts will be formed that could be represented by hexahedral prisms, plus the modification of the bases, that is, C12H12 + SO3, H2Cl2, N2O5, etc. (Laurent, 1837a).

Laurent had advanced the idea that when chlorine and bromine entered in combination after eliminating their equivalent of hydrogen, they took exactly the same position that hydrogen occupied in the compound and hence both substances, the primitive and the derived one, had to be isomorphs, (Laurent, 1842b).

In his first memoir about naphthalene, Laurent presented a new compound, which he named chloribronaphtose, C40H8Br4Cl4 (A) obtained by treating naphthalene first with chlorine and then bromine. Reversing the operation he discovered another compound, bromichlonaphthose, C40H8Cl4Br4 (A), which although an isomer with the previous one, did not have the same form. Both compounds crystallized as prisms having an oblique base; in the first one the faces were inclined one to the other at 101°30, 102°50, and 101°15 respectively while in the second the angles were 102°30, 103°00, and 101°20. Other examples were chlorobronaphthose, C40H8Br3Cl6 (B) crystallizing in six-face prisms, with four angles of 117°30 and two angles of 125°; and bromachlonaphthose (B) C40H8Cl6Br3 (A and B are isomers) with four angles of 119° and two angles of 122°. Laurent named isomerimorphs those bodies having the same form and the same composition (Laurent, 1842b).

Laurent’s researches on isatin and its chlorinated derivatives clearly demonstrated that negative bodies could replace, in certain combinations, positive bodies without changing in a sensible manner the chemical and physical properties of the compounds. Since chemists had not adopted his opinion yet, he now wanted to demonstrate beyond doubt that chlorine could replace hydrogen, that the original and the new compound were isomorphic, and that the replacement could take place in any proportion, without changing the crystalline form.

He wanted to prove that a cube could be isomorphic with a prism having a square or rectangular base, or with an oblique prism, or with a rhombohedron, taking into account that the term isomorphism did not have the same meaning in geometry as in crystallography. In the latter two substances were considered isomorphic when their crystals had more or less the same angles and when they belonged to the same crystalline type. Laurent modified this definition and stated that two crystals were isomorphic when their axes were sensibly equal and sensible inclined in the same amount, independent of the crystalline type to which they belonged (Laurent, 1845a).

Laurent then proved that it was not necessary for the constituent atoms to be analogues to form analogue compounds; bodies completely different such as chlorine and bromine, educación química •

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could give birth to compounds having very similar properties, as long as their atoms were arranged in the same manner. In other words, the properties of a compound depended not only on the nature, the number, and the proportion, but also on the way their atoms were arranged (Laurent, 1846). He illustrated the latter condition with a geometrical example: Consider two regular polygons, having the same number of edges of the same length, for example, a regular hexagon. If the solid sides were made of different materials, for example iron and copper, it was not enough that each polygon be formed by three sides of iron and three sides of copper for the two polygons to be identical. We could have two regular hexagons of the same nature, same weight and same dimensions, one formed by three neighboring iron sides and three copper neighboring sides, and the other by alternating copper and iron sides. The center of gravity of the first would be the same as the geometrical figure, but not so for the second sample. Hence it was possible to conceive two bodies having the same atoms, united in the same proportion (that is, isomers), with the atoms arranged in the same manner (that is, isomorphs) but as long as the order, that is, the relative arrangement of the atoms was different, then the two bodies would be different. Laurent illustrated his conception in organic chemistry with the following example: Consider two substances containing carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, chlorine, and bromine in the same proportion. The two substances have the same crystalline form, they act on the same way on polarized light; there are two salts having almost the same physical and chemical properties, nevertheless, it is easy to prove that the two bodies are different and that their difference depends only on the order according to which the atoms are arranged one in relation to the others. He now went from theory to practice and reacted cinchonine with chlorine, replacing four atoms of hydrogen atoms by four atoms of chlorine. The resulting product was a base, the same as cinchonine.

Cinchonine was now treated with bromine; four bromine atoms replaced four hydrogen atoms and again the product was basic in nature. Both cinchonine derivatives were now combined with HCl and HBr in such a manner that the bromocinchonine reacted with HCl and chlorocinchonine with HBr. The two hydracids contained (like the two original bases) four atoms of chlorine or bromine. Two salts were obtained, one containing 4 bromine atoms in its bases and 4 atoms of chlorine in its acids, the other the opposite. Since the two salts had the same composition they were obviously isomorphs. Nevertheless, in spite of their large similarity the two salts were not identical, as could be demonstrated easily with the aid of potash: alkali poured over one of the salts precipitated bromocinchonine and became potassium chloride, while with the other salt, it precipitated chlorocinchonine and formed potassium bromide (Laurent, 1846).

A curious fact is that Laurent, in his thesis and in the related papers, did not mention the fact that André-Marie Ampère (1775-1836) had already looked in detail into the possibility of explaining chemical combinations on the basis abril de 2009

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of crystallography. Ampère utilized the geometric theory of crystals that had been developed by René Just Haüy (17431822) to explain the geometry of each shape, to show how molecules united to originate the possible representative particles, and to find that the possible geometrical forms were limited to 23. Haüy had already devised the concept of the molecule integrante to refer to both the simplest unit of crystal structure and the chemical molecule, the smallest particle that retained the chemical properties of a given substance.

But Haüy’s ideas did not yield an unequivocal solution to the problem of chemical combinations. His basic molecules had their characteristic geometrical shapes when they were disseminated in the solvent before crystallization; they also kept it when they were dissolved in the caloric, in their gaseous state (the three crystalline states of matter). According to Ampère, the basis of a simple chemical compound was the interpenetration of pairs of particles, one from each element, to generate a common centre of gravity and another regular polyhedron from the total assemblage of the two sets of molecules. Although Ampère did not explicitly say so, he implied that when half of a particle combined with a full particle of another element, the total collection of molecules adopted a new configuration corresponding to one of the acceptable structures. Water molecules, for example, were octahedral made up of six molecules of which four came from a hydrogen tetrahedron and two from one half of an oxygen tetrahedron. Hence, the clue to a chemical reaction was to be found on the possibility of superposition of these geometrical figures: “when the particles unite into one particle, they locate themselves in such a way that their centers of gravity are at the same point; the apexes of one locate themselves between the apexes of the other, and viceversa.” (Ampère, 1816; Wisniak 2004).

Ampère’s theory provided little guidance even in relatively simple cases such as water and required the user to be quite knowledgeable in space geometry and able to visualize the resulting three-dimensional figures to decide if they were acceptable or not. This was not an easy job at a time when hand models were not available.

From here on, Laurent developed a non-electrochemical theory of organic reactions based on chlorine substitutions, which he initially called the theory of fundamental and derived radicals. An organic molecule had a nucleus (which might be a single atom) to which different radicals might be attached. Laurent’s theory of fundamental and derived radicals is sometimes known as the nucleus theory. He introduced this term in 1842: “It seems that all these compounds have something in common, a fundamental group, or adopting a term from crystallography, a primitive form or core…The cores are not decomposed by heat and alkali. They possess the same shape, as long as there is no dimorphism or polymorphism; they have the same fundamental properties, the same molecular arrangement…” (Laurent, 1842c; Potter, 1953). According to this theory, fundamental radicals could be transformed into derived radicals either by substitution para quitarle el polvo

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within the radical or by addition or elimination of atoms outside the radical. The most important factor for Laurent was not the identity of an atom but its position. The electrochemically opposite hydrogen and chlorine could play the same chemical role inside a radical; but a chlorine atom inside or outside a radical would exhibit different chemical properties.

Similarly, oxygen could replace hydrogen inside the radical with no great alteration of properties, but oxygen introduced outside the radical would make a neutral substance acidic.

After Dumas discovered in 1837 trichloroacetic acid (Dumas, 1838) he and Berzelius were forced to accept the substitution theory of Laurent.

In his 1844 memoir (Laurent, 1844) Laurent employed for the first time the word type, which Charles-Frédéric Gerhardt (1816-1856) would use later to propose the theory of types. Organic molecules were now grouped into families or types. All the members of one type would have an identical nucleus to which any of a series of similar radicals could be attached; and within the radicals there would be considerable room for variation. A particular molecular type might even extend into the realm of the inorganic. According to Gerhardt, in the present state of science it was possible to organize organic compounds into three or four types, each one susceptible of yielding a series similar to those formed by formic acid and stearic acid.

The resounding demonstration of Laurent and Gerhardt’s ideas about the nature of radicals was provided in 1853 by Würtz’s discovery of mixed radicals (Würtz, 1853), a fact that already been predicted by Gerhardt and Gustave-Charles Bonaventure Chancel (1822-1890) (Gerhardt and Chancel, 1851).

The discovery of mixed radicals signalled total victory of the new theory over the dualistic one.

4. Atomic structure, formulas, and classification During the eighteenth century the vegetable and the animal themes of chemistry were united under the subject organic chemistry. Chemistry was now composed of two branches, mineral and organic chemistry, according to the distinctive origin of compounds. Later, physiological chemistry was added, which, in France, Charles-Adolph Würtz (1817-1884) converted into biological chemistry in 1874 with the creation of a specific laboratory of chimie biologique at the Faculty of Medicine (Carneiro, 1993). According to Louis-Bernard Guyton de Morveau (1737-1816) by 1760 scientists were familiar with a very small number of compounds. Six acids were known, together two soluble earths, eleven metallic substances, and about thirty salts. Although the actual number was larger, it was still a small fraction of what would be known by the end of next century. The name of each compound was related to their aspect, their origin, a typical property, or the name of its discoverer. The increase in the number of new compounds that took place in the following twenty years created an inextricable confusion in their identification and the appearance of many synonyms. Many chemists had tried to

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put some order in this anarchic situation by grouping together substances that had the same kinship, particularly the salts derived from the same acid. Guyton proposed the first general nomenclature that led eventually to the one accepted nowadays. In his famous memoir on the subject (Guyton de Morveau, 1787) he established the following principles for assigning a name to a substance: (a) each substance must have a name and use of circumlocutions should be avoided; (b) the name of a compound should reflect the composing parts and characterize it clearly; (c) substances of unknown composition should be assigned a name having no meaning than any other that would convey a false idea; and (d) new names should be based on old languages, such as Latin. As seen above, Guyton’s proposals were concerned almost exclusively with the naming of acids, bases, and salts.

Guyton’s ideas were accepted and supported by most of the chemists of his time [such as Torbern Olof Bergman (1735-1784), Claude-Louis Berthollet (1748-1822), Felice Fontana (1730-1805), Antoine-François Fourcroy (17501809), Richard Kirwan (1733-1812), and Pierre-Joseph Macquer (1718-1784], and attacked by a few others [such as Jean-Claude La Métherie (1743-1817) and Balthazar-Georges Sage (1740-1824)] on the arguments that it was “barbarian, incomprehensible, and without etymology”. Eventually Guyton’s classification became essentially official after it was presented to the Académie des Sciences as the book Méthode de Nomenclature Chimique (Guyton de Morveau, 1787), signed simultaneously by Guyton, Berthollet, Fourcroy, and Lavoisier.

In the middle of the nineteenth century the number of organic compounds being discovered was growing very fast and many cumbersome methods were being proposed to move through the myriad of names by which they were known. Laurent was the first to try a logical classification using as a starting point his theory of fundamental and compound radicals, and thus attaching the chemical species to a generating hydrocarbon (Laurent, 1844). According to him “all chemical combinations derive from a hydrocarbon, a fundamental radical, that not always is present in its combinations but is represented by a derived radical containing the same amount of carbon.” Laurent’s idea was to arrange all known compounds in series ordered after the fundamental carbon and constituted the first attempt of a rational classi­ fication of organic compounds related to the generating hydrocarbons. At the same time it was in bold opposition to the complex formulas that Berzelius had built following his electrochemical theory. In his memoir, read to the Académie des Sciences, Laurent presented the formative skeleton of his proposed classification. The first division was composed of the four series: (1) Noyaux (nucleus), susceptible of augmentation but not of diminution, which included the éthenides (which formed with acids salts similar to the ethers) ammonides (forming salts similar to those of ammonia), and the analcides (which did not combine with acids and sub-divided into halides, nitriles, and camphides); (2) protogénides, which educación química •

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subdivided into hydrides, hyperhalides, anhydrides, and aldehydes; (3) sels (salts), which sub-divided into mono- and dibasic; and (4) prométallides.

Laurent´s ideas were fought by Berzelius, Dumas, Liebig (Dumas and Liebig, 1837), and by all those belonging to the scientific establishment, that is, by those who supported a classification of organic compounds according to their origins into resins, fats, essences, and indifferent substances.

Today, the number of organic compounds listed in CAS surpasses 30 million, and their classification is guided in large part by the notion of substitution proposed by Laurent and Dumas, and the notion of homology proposed by Gerhardt.

Homology organizes organic compounds in families having an increasing number of carbon atoms and substitution classifies the derivatives of each member of a given family according to the nature of the substituents (halogen derivatives, oxides, nitro compounds, etc.). Laurent’s classification scheme was based on a fundamental radical and its derivatives obtained by substitution and/or addition.

The determination of atomic weights was a crucial problem during the first half of the 19th century, with chemists employing the atomic theory that had been established by Berzelius (Berzelius, 1819). A few others preferred the notion of equivalence; instead of atomic weights they used equivalents, a name introduced by William Hyde Wollaston (1766-1828) in 1814 (Wollaston, 1814). Analysis of matter indicated that simple substances united in definite proportion and multiple proportions. Liebig, Victor Regnault (18101878), and Théophile-Jules Pelouze (1807-1867) assigned to carbon a molecular weight of 12 (with H = 1), the same as Berzelius has done previously, while Dumas and his disciples assigned it an atomic weight of 6. Chemistry by itself was unable to fix the relative weight of the atoms, for example, exhaustive analytical tests had proven that hydrogen and oxygen joined in the ratio H/O = 1/8 to form water. If, like done

by John Dalton (1766-1844), the formula HO was assumed for water and the weight was assigned to hydrogen, then the proportional number of oxygen became 8. Now, if it was admitted that the formula of water is H2O, then the proportional number for oxygen would be 16, a number valid for all water polymers, (H2O)n. The polemic continued up to the Karlsruhe congress (1860), when the atomic doctrine was definitely adopted (Stumper, 1953).

Equally, there was no law for determining the proportional number in compound substances (what today we call molecular weight). Formulas answered to different volumes of vapors; for non-volatile organic compounds they were simply the translation of their analysis.

Two fundamental memoirs by Gerhardt (Gerhardt, 1841, 1843) addressed this decisive stage in the evolution of the atomic doctrine, and were brilliantly exposed in 1846 by Laurent (Laurent, 1846). In his two memoirs Gerhardt proposed to refer all formulas to a common measurement, four volumes of vapor. Initially he kept Berzelius’s formulas at four volumes, which gave the formulas H2Cl2 for hydrogen chloabril de 2009

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ride and N2H6 for ammonia. In his second memoir he referred the formulas of composite bodies to two volumes of vapor and thus found that the formula of most organic compounds were about one-half larger compared to those of mineral substances, and proposed to half them in order to have their equivalents similar to those of water, carbon dioxide, and ammonia. Laurent in his memoir completed and gave precision to the concepts of atoms and molecules. After adopting, as Gerhardt had done, a common measure of two volumes for composite substances, he extended this view point to the simple bodies, which he considered constituted by an assembly of two atoms. He also distinguished between atoms and molecules and gave the former precise definitions.

For him the atom represented the smallest amount of a simple body which could exist in a combination. The molecule represented the smallest amount of a simple body to realize a combination, an amount divisible in two by the act of combination itself. Thus, the atom Cl could well enter into a combination, but to perform it, it was necessary to use the mol­ ecule Cl2. Laurent was thus admitting the double decomposition of chlorine by hydrogen to form hydrogen chloride: H2 + Cl2 = 2HCl. This binary atomic association allowed him to also explain the particular affinity exhibited by bodies in the nascent state. By reporting the relative weights of chemical compounds to the weight of two volumes (2 atoms = 1 molecule) Laurent arrived at the first exact definition of molecular weight (Stumper, 1953).

Miscellaneous Laurent synthetisized and studied the properties of a very large number of organic compounds. For example, he treated benzaldehyde with aqueous ammonia and after a long time of reaction obtained a colorless substance, insoluble in water, soluble in alcohol and ether, and crystallizing in octahedral of rectangular base. Treatment of the crystals with acids and bases yielded ammonia and benzaldehyde. Laurent believed that the new compound was ammonia hydrobenzoate (p-hydroxy ammonia benzoate), but the analysis indicated a composition unique in chemistry. He named this combination hydrobenzamide (tribenzaldiamine) (Laurent, 1836b).

The conflicting composition attributed to quinoline, leukol, and other nitrogen derivatives, led Laurent to perform more rigorous analysis of these compounds (Laurent, 1845b).

The composition of quinine had been reported to correspond to the formula C40H24N2O2, but according to Laurent it should be C38H22N2O2; August Wilhelm Hofmann (18181892) claimed that the composition of leukol corresponded to C36H16N2, and according to Gerhardt the formula of quinoline was C38H20N2O2. Since none of these formulas fitted Laurent’s rule for nitrogen compounds [the sum of the atoms of hydrogen, nitrogen, and their replacements, present in the equivalent of a nitrogenated substance (phosphorus, arsenic), should be divisible by four] he requested from Gerhardt and Hoffman to repeat their experiments. Gerhardt answered that the correct formula of quinoline was C36H14N2 and Hoffpara quitarle el polvo

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man that leukol and quinoline were identical; thus confirming Laurent’s claims. Laurent analyzed more than 400 nitrogen compounds and found all to satisfy his rule (Blondel-Magrelis, 2001).

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educación química para un futuro sostenible

Combustible hidrógeno para el ciclo Rankine Rafael Sánchez Dirzo1 y Rodolfo Silva Casarín2

Abstract (Hydrogen Fuel for Rankine Cycle) As we become more conscious of the problem of global warming, CO2 is seen as the principal villain in the drama, though it is not the only substance involved. Since the production of CO2 comes mainly from motor vehicles and electricity-generating processes, most investigation is focused on energy saving and improving efficiency in these two areas.

In this paper we address the question of electricity generation. The Rankine cycle is the means by which most electricity is generated, using heat combustion, with consequent polluting emissions. By changing the combustion material, from oil, gas or coal, to hydrogen, as in electrolysis cycles, we could eliminate the emissions and recycle the hydrogen.

At present only 2% of the electricity generated worldwide comes from renewable, nonpolluting sources (sun, wind and sea). In this article we look at the possibility of harnessing sea power to produce the energy required to burn hydrogen in an innovative Rankine cycle which would allow us to produce electricity without further contaminating the planet.

Keywords: Rankine cycle, fuel cycle, renewable energies, process flow diagrams.

Introducción El bióxido de carbono, CO2, es la sustancia química más célebre por el efecto invernadero que está causando sobre el planeta pero no es la única. Producto de los procesos de combustión del petróleo, gas natural, carbón y madera, su presencia en la atmósfera rebasa ya las 380 ppm y va en aumento, el límite considerado para un cambio climático irreversible es de 500 ppm. Los pronósticos más pesimistas indican que se llegará al mismo a mediados del siglo.

Ya que el CO2 proviene de la combustión de los hidrocarburos utilizados en los automóviles y las centrales de potencia eléctrica principalmente, la investigación para disminuir su presencia se centra en incrementar la eficiencia y los ahorros de dichos dispositivos pero, pese a los notables avances que la ingeniería ha logrado en estos rubros ello aún no es suficiente.

Del total de la electricidad generada en el mundo, 39.8% proviene de quemar carbón, 19.6% de quemar gas natural, 15.7% de fisionar el núcleo de uranio, 6.7% de quemar los líquidos del petróleo, 16% de las hidroeléctricas y el resto, menos de 2%, de las energías del mar, sol y vientos. Estas últimas, tecnologías que no emiten CO2 al generar electricidad, tienen marginal presencia en la industria energética y son conside­

Fes- Zaragoza, UNAM. Correo electrónico: rafaelsanchezdirzo@yahoo.com.mx 2 Instituto de Ingeniería, UNAM. Correo electrónico: RSilvaC@ii.unam.mx Recibido: 21 de noviembre 2007; aceptado: 29 de octubre 2008.

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radas tan sólo como promisorios “juguetes científicos”.

Las centrales de potencia operan basadas en ciclos termodinámicos conocidos como Rankine y Brayton, y cuando operan juntos se les llaman ciclos combinados; éstos forman parte de un grupo de ciclos que sostienen todo el movimiento de las sociedades contemporáneas. Disminuir no solamente la presencia del CO2 en el planeta sino el resto de sustancias que la contaminan como los productos de los fenómenos de combustión, significa incidir en tales ciclos para innovarlos. Al momento las mejoras a los ciclos Rankine y Brayton se han centrado en variar las condiciones de presión y temperatura de su fluido motor, mejorar la composición de su combustible (quitar compuestos de azufre por ejemplo), usar materiales más resistentes, mejorar el diseño de sus turbinas y aplicar sistemas de control automatizado, lo que ha permitido, para el caso de las mejores centrales eléctricas que son precisamente de ciclos combinados, alcanzar el 60% de eficiencia, logro notable en tanto que el promedio de las centrales de potencia convencionales —que siguen siendo mayoría— es de 34%.

Existe una posibilidad adicional de innovación y es el cambio de combustible. De quemar hidrocarburos a quemar hidrógeno se tendría la alternativa de operar un ciclo del combustible toda vez que el hidrógeno tiene la capacidad de volverse a reciclar, una propiedad notable que está fuera del alcance del resto de los combustibles y que la economía lineal clásica no considera cuando se determinan sus costos de producción. La investigación del hidrógeno como combustible se ha centrado en su uso al transporte, destacadamente la industria aeroespacial, y la generación de electricidad mediante las celdas de combustible. Pero hay un área que este trabajo preeducación química •

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tende resaltar: la alternativa de usar el hidrógeno como combustible para operar el ciclo Rankine (en los últimos lustros en combinación con el ciclo Brayton).

El problema del combustible Los ciclos de potencia que sostienen el movimiento de la infraestructura material de nuestras sociedades modernas son: Otto y Diesel, que mueven a los millones de autos y maquinaria pesada; Brayton, que hace volar aviones y cohetes; Rankine y Brayton, que separados o combinados producen casi toda la electricidad en el mundo, y el ciclo de Carnot, que sustenta el desarrollo teórico de todos ellos. Existen dos ciclos adicionales que poco a poco se abren paso en la ingeniería conocidos como ciclo Stirling y ciclo Ericsson. Todos estos ciclos pueden encontrarse en los textos de termodinámica y representan uno de los más notables resultados de la interacción entre la ciencia y la tecnología, sin la cual sería inconcebible nuestra civilización. Hasta el momento la mayor parte de la energía para operar estos ciclos proviene de quemar hidrocarburos y en menor medida de fisionar el núcleo de uranio. En promedio los hidrocarburos usados como combustibles tienen un calor de combustión de 40 MJ por cada kilogramo de combustible quemado.

En la práctica las reacciones de combustión que se llevan a cabo para operar los ciclos de potencia están muy lejos de ser elementales. Lo que se quema son mezclas de extrema complejidad y se les denominan genéricamente naftas, mazutes, gasolinas, combustóleos, diéseles, turbosinas y GLP (Gases Licuados a Presión) cuando son líquidos; biogas, gas natural y singas cuando son gases, y biomasa, lignitos, esquistos, turbas, hullas, coques, bagazos, carbonos y leñas cuando son sólidos.

Algunos hidrocarburos se presentan en dos o tres estados de agregación como los betunes, ceresinas y parafinas. Cada combustible debe poseer propiedades fisicoquímicas específicas para ser usado en una u otra máquina y su caracterización es una tarea fundamental para el correcto funcionamiento de las mismas. Las centrales eléctricas que utilizan hidrocarburos como combustible emiten al ambiente diversas sustancias; un ejemplo lo son las centrales que queman carbón o combustóleo, y las nucleoeléctricas de 1 GW de capacidad instalada —para comparar México tiene una capacidad instalada de 50 GW—, que emiten al ambiente los promedios mostradas en la tabla 1 (Culp, 1991).

Sólo las emisiones de las centrales eléctricas lanzadas al planeta entero son impresionantes. Si se suma las que el transporte genera, los contaminantes se cuantifican en miles de millones de toneladas al año. El problema de disminuirlas conlleva el problema de quemar menos y utilizar más eficientemente el petróleo, carbón, gas natural y leña, y de ahorrar y hacer un uso razonable de su consumo. Esto en sí sería un gran avance y significaría parte de la solución al problema. La otra parte lo es sin duda el desarrollo de las fuentes de energía renovables, particularmente obtener energía eléctrica de los mares, vientos y sol. Conociendo la naturaleza caótica de tales fuentes es necesario desarrollar técnicas para almacenar quíabril de 2009

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Tabla 1. Emisión de contaminantes en centrales de 1 GW.

Emisiones

Carboeléctricas

Termoeléctricas

Nucleares

CO2

7,800,000

4,700,000

0

SO2

40,000

91,000

0

NOx

9,500

6,500

0

330,000 6,000 0 0

0 6,500 0 0

0 0 0.9 30

(ton/año)

Sólidos – cenizas – polvos – productos de fisión – combustible gastado

micamente parte de su inmensa potencialidad. Tal almacenamiento puede lograrse mediante el acoplamiento de los sistemas para captar a las renovables y las plantas de electrólisis de agua. Estas últimas pueden diseñarse para responder al carácter irregular y difuso de las primeras, lo que conllevaría a abrir la posibilidad de plantear la producción masiva del hidrógeno en su función de combustible.

Plantas de electrólisis: la producción industrial del hidrógeno En la actualidad el 96% de las 65 millones de toneladas al año de hidrógeno —equivalente a 8 EJ, menor que el 2% del suministro total de energía primaria en el mundo—, es obtenido de la reforma del metano, refinerías y gasificación del carbón (IEA, 2007). El resto se obtiene por la electrólisis del agua.

Hasta para la obtención del hidrógeno la participación de los hidrocarburos es notable. No será fácil revertir esta realidad aunque el conocimiento básico para hacerlo ya existe. El cuestionamiento más fuerte que se le ha hecho al hidrógeno como combustible es de tipo económico. El informe de la IEA antes aludido muestra que en efecto su producción por electrólisis es en promedio de dos a tres veces más costosa que su obtención por medio de la reforma del gas natural y como energético cuesta al menos el doble que por ejemplo la gasolina. Pero si se consideran los costos ocultos de la quema de los hidrocarburos en su impacto negativo sobre la salud y los ecosistemas, resulta que éstos son iguales o más caros que el hidrógeno si consideramos también que éste se puede reciclar en el caso de usarse en la generación de electricidad. En otras palabras, si bien el hidrógeno es más oneroso que el carbón, combustóleo y gas natural —combustibles utilizados en las centrales de potencia—, la cantidad requerida de hidrógeno es mucho menor para generar la misma cantidad de electricidad, con la ventaja adicional de que puede ser reciclado. El papel de combustible que el hidrógeno puede jugar en el transcurso del siglo XXI hace necesario que el proceso de electrólisis empiece a buscar las economías de escala. Aunque la electrólisis es una tecnología madura y comercial se enfrenta al complejo problema de alimentarse de electricidad que no provenga de la quema de los hidrocarburos sino de la educación química para un futuro sostenible

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generada por las energías renovables: sol, vientos y mares. Tal problema está siendo resuelto con éxito en los diversos frentes de la innovación tecnológica. Así el desarrollo de sistemas que acoplen paneles fotovoltaicos con plantas de electrólisis tiene años de investigación y desarrollo (Koukovinos et al., 1982; Stahl et al., 1995; Abaoud et al., 1998; Meurer et al., 2000). Lo mismo se podría decir del acoplamiento de aerogeneradores y plantas de electrólisis (Bechrakis et al., 2006; Thanaa et al., 2006). El acoplamiento de dispositivos océanomotrices con plantas de electrólisis empieza a investigarse con prototipos de tipo flotante (Temeev et al., 2006). Todo está dispuesto para el desarrollo de los sistemas híbridos a escala industrial donde el acoplamiento de las diversas fuentes alternas con los sistemas de electrólisis pueda generar al menos el 20% del suministro total de energía requerida por el mundo, concentrada en el hidrógeno para los próximos 50 años. El reto de transformar las corrientes, olas y ondas marinas, el flujo de fotones solares y las corrientes de aire en la electricidad que alimente a las centrales de electrólisis es una tarea con respuestas positivas y que deben ser abiertamente apoyadas por la sociedad. El problema está pasando de la escala de la investigación básica a los niveles de investigación de la ingeniería básica y de detalle.

Se requiere también una difusión masiva de los logros hasta ahora alcanzados en la sustitución de los hidrocarburos como combustibles para conocimiento de nuestras sociedades que, a final de cuentas, son las que decidirán qué futuro construir: uno donde los hidrocarburos sigan predominando como energéticos u otro, donde las renovables tengan una mayor participación. Describir en este breve espacio los frutos de la ingeniería para resolver este problema no es posible, la bibliografía crece (Sørensen, 2004; Volker, 2005) y los prototipos en ideas, diseños, pruebas y comercialización se cuentan por decenas, considerándose entre los más ingeniosos que el hombre ha concebido para desplazar a los hidrocarburos como combustibles.

Las plantas de electrólisis no sólo son una tecnología madura y comercial sino que sus innovaciones como plantas de proceso se equiparan a las de la industria petroquímica e incluso las superan por la expectativa futura que se ha depositado en ellas. Estas plantas se diseñan y construyen desde escala de laboratorio, pasando por planta piloto hasta niveles industriales y su diseño es versátil y modular. Por desgracia existen pocas empresas dedicadas a su innovación, diseño, construcción, operación y mantenimiento. En el futuro esto va a ser muy costoso para los países en desarrollo, ya que se tendrán que importar como actualmente se importan las plantas petroquímicas. Las centrales de electrólisis modernas son capaces de trabajar con agua en fase vapor lo que incrementa su eficiencia (Kreuter, 1998; Sigurvinsson, 2007). Puede ser simulado su comportamiento como planta de proceso (Vanhanen, 1994; Rzayeva, 2001) y se reportan también aspectos de optimización (Kothari, 2006). A estas alturas se puede cuestionar: “Si ya produje la electricidad con energías renovables, ¿no sería mejor utilizarla para satisfacer otras ne-

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cesidades en lugar de emplearla en producir hidrógeno para volver a producir electricidad?” La respuesta se está encontrando en la investigación simultánea de ambas tareas. Como arriba se afirmó, la naturaleza de las energías renovables es intermitente (aleatorio y “caprichoso”, no responden en el momento preciso en que requerimos su energía) y difusa (su potencia en la unidad de área es baja) lo que obliga a disponer de algún tipo de almacenamiento. El almacenamiento más adecuado lo es sin duda el almacenamiento químico en forma de hidrógeno por medio de la electrólisis de agua. Las plantas de electrólisis pueden responder a tal naturaleza de las renovables logrando concentrar su energía ya que el calor de combustión del hidrógeno es tres veces mayor que el de cualquier hidrocarburo y, adicionalmente, su producto es agua que puede volverse a reciclar rompiendo su molécula por medio de las energías renovables. De un ciclo del combustible se puede hablar. En escenarios que favorezcan la generación de electricidad proveniente de las renovables, parte de la energía de éstas deberá ser almacenada y el resto, en efecto, podrá consumirse directamente y en el momento en que se produce.

Integración del ciclo del combustible hidrógeno al ciclo Rankine Teniendo disponible el combustible hidrógeno a partir de la energía híbrida del sol, vientos y mares, el segundo problema a resolver es cómo utilizarlo para operar el ciclo Rankine. El proceso clásico del ciclo Rankine se muestra en el diagrama 1.

Su descripción es la siguiente: la caldera es alimentada con agua líquida por medio de una bomba. El agua se vaporiza en la caldera al recibir el calor de combustión de algún combustible particular obtenido del petróleo, gas natural y/o carbón, y pese a que los productos de la combustión son tratados, las emisiones no pueden evitarse. El vapor que sale de la caldera se lanza en forma de chorro hacia la turbina a la que se le acopla un generador eléctrico. El vapor luego de realizar su trabajo se envía al condensador donde retorna a su fase líquida y ésta se vuelve a bombear hacia la caldera, donde el ciclo se reinicia. No existe proceso fisicoquímico más simple y que más haya contribuido a elevar el bienestar de la humanidad que el ciclo Rankine. Sus innovaciones, en el caso del tratamiento a las emisiones inevitables al ambiente se han concentrado en la instalación de filtros, lavadoras para desulfurar el gas de chimenea, reactores catalíticos para disminuir las emisiones de los compuestos de nitrógeno, precipitadores electrostáticos y captura y almacenamiento de CO2 (Beér, 2007; Hawkins et al., 2006; IEA, 2007). Considerables inversiones se llevan a cabo para modernizar las centrales de potencia, incrementar su eficiencia y disminuir sus emisiones. Esto es plausible y deberá seguirse haciendo pero mostremos los diagramas que describen cómo hacer uso del ciclo hidrógeno como combustible, para operar el ciclo Rankine.

Mostremos dos posibilidades de integrar el ciclo del combustible hidrógeno al ciclo Rankine. Esto se muestra en los diagramas de proceso 2 y 3; las diferencias entre éstos son las operaciones unitarias de las figuras 4a y 4b. educación química •

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Elegir una o ambas opciones es un problema que la ingeniería básica en curso está investigando. Nos encontramos en una de las fronteras del conocimiento en ingeniería energética más interesantes y pertinentes toda vez que resolviendo cuál proceso elegir (que podrían ser ambos), los sistemas de energía renovables particularmente el sol, vientos y mares, podrían competir con las centrales de energía basadas en los hidrocarburos y en la fisión del uranio. Siendo optimistas también podrían disputar los millonarios recursos que actualmente se están invirtiendo en la fusión nuclear.

Las razones cualitativas para afirmar esto son las siguientes: 1. Comparando el diagrama 1 con el 2 y 3, resalta la diferencia más importante: no hay emisiones en estos últimos. El ciclo fisicoquímico del agua descrito en la elemental reacción H2 + ½O2qeH2O así lo permite.

2. En el diagrama 1 las etapas de transformación para obtener el combustible que opera al ciclo Rankine se originan en la exploración y explotación de miles de pozos en los cuales menos del 40% del petróleo contenido en ellos es extraído; de aquí pasa a las refinerías, donde diversos combustibles son obtenidos para ser usados en automóviles, aviones, barcos y centrales de energía convencionales.

Hay que hacer referencia al transporte de los diversos combustibles en forma de miles de kilómetros de ductos, buques, carros-tanque y los gigantescos sistemas de almacenamiento de los mismos. Esta red de exploración, explotación, transformación, transporte, almacenamiento y quema de los hidrocarburos es mundial. Se ha construido en el transcurso de más de 100 años y seguirá acompañando a las futuras generaciones durante muchos años más. Pero los diagramas 2 y 3 muestran otra manera de concebir, diseñar y construir nuestras futuras centrales de potencia de nuevo tipo. Éstas se levantarían en áreas donde el sol, vientos y mares abunden. Son zonas costeras las que llenan tales exigencias y México está rodeado de las mismas.

Diagrama 1. Ciclo Rankine.

Diagrama 2. Central de potencia operada con renovables.

Las razones cuantitativas son: 1. En los primeros resultados numéricos utilizando el diagrama 2 para una central de 1 GW de capacidad (Dirzo, 2007), resulta que si bien producir hidrógeno es más caro que los hidrocarburos, se requiere en menor cantidad para producir los mismos kWh de electricidad, con la ventaja insuperable de que se puede reciclar.

2. La reacción H2 + ½O2 qe H2O genera de dos a tres veces más energía que cualquier combustible hidrocarburo. En principio es posible llevarla a cabo durante un proceso adiabático, lo que conllevaría a elevar el gradiente de temperatura y con el mismo al incremento en la eficiencia del ciclo Rankine. En el ejemplo numérico citado un ciclo Rankine simple sin hacer uso de todos los adelantos tecnológicos con los que cuentan las modernas centrales de potencia y con la simplificación de que todos abril de 2009

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Diagrama 3. Central de potencia operada con renovables.

(a) (b) Diagrama 4. (a) Combustión sumergida, y (b) Intercambiador de calor. educación química para un futuro sostenible

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sus procesos fueran reversibles, alcanzó la eficiencia de 50%, muy por encima del 34% que es la eficiencia promedio de las plantas instaladas actualmente.

3. El manejo de la reacción adiabática del hidrógeno se encuentra al alcance de la tecnología moderna. Si bien relativamente alta (dentro de magnitudes de los miles de grados) representan temperaturas mucho más bajas que las necesarias para dominar la fusión nuclear cuyas magnitudes son de millones de grados. Esto es sobresaliente, ya que en la química del hidrógeno para formar agua es donde se pueden encontrar soluciones más adecuadas al dilema de la energía que en la física de sus isótopos, el deuterio y el tritio, para formar helio. Esto deberían considerarlo los gobiernos que han apostado más por la fu­ sión de los núcleos de hidrógeno que por el elemental intercambio de su solitario electrón.

Los diagramas 2 y 3 ilustran una metodología de ingeniería que permite el desarrollo sistemático de las energías renovables, su almacenamiento químico y su valoración técnicoeconómico respecto a los hidrocarburos como combustibles.

Esta investigación forma parte de la frontera del conocimiento de la ingeniería en su área energética y se encuentra en marcha junto al desarrollo de tecnologías para hacer de las renovables la fuente principal del suministro mundial de electricidad durante el transcurso del siglo XXI, (Goltsov et al., 2005; Verheij, 2007; Zweibel et al., 2008; Dirzo, 2008).

Conclusiones La infraestructura energética de la sociedad actual está sustentada en los hidrocarburos y lleva más de cien años construyéndose. La presencia de los hidrocarburos como energéticos seguirá siendo fundamental a lo largo del siglo XXI. Sería trivial pensar que de un día para otro se pudiera sustituirla con las renovables pese a que se tiene el conocimiento básico para hacerlo. El asunto es más complejo de lo que estas líneas pudieran transmitir. El dilema energético no admite soluciones únicas, económicas y a corto plazo. Todo lo contrario: cualquier desarrollo tecnológico que se proponga será caro, a largo plazo y, en caso de ser exitoso, seguramente sólo formará parte de un universo de soluciones necesarias. Pero entre más proyectos se abran y tengan el apoyo suficiente, mejor estaremos preparados para disminuir la presencia de los hidrocarburos como energéticos aumentando su presencia en la industria petroquímica donde adquieren su máximo valor. En el caso de la generación de energía eléctrica dos propuestas de ingeniería de procesos fueron presentadas y sus principales fortalezas consisten en: (a) carecen de emisiones al ambiente, y (b) revierten las desventajas de intermitencia y difusión de las energías renovables por medio de técnicas de almacenamiento químico para obtener hidrógeno como combustible de una manera continua, segura y eficiente.

Las propuestas también permiten la valoración sistemática de las variables técnico-económicas que haría que las energías

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renovables puedan sustituir, lenta pero ininterrumpidamente, a los hidrocarburos en su función de producir electricidad a lo largo del siglo XXI. Esto forma parte de los proyectos de desarrollo que la ingeniería está realizando en la actualidad y requiere la participación creativa de jóvenes interesados en resolver uno de los problemas más acuciantes y apasionantes de nuestra era: el dilema energético.

In Memoriam Encontrándose en discusión este artículo llegó la noticia de la partida sin retorno de Leonardo Cabrera, ingeniero químico perito constructor de plantas de proceso. Hará mucha falta cuando empecemos a construir la primera central costera de potencia alimentada por el sol, vientos y mares. A su memoria se dedica este trabajo.

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educación química para un futuro sostenible

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didáctica de la química

La química computacional en el salón de clase Carlos Amador Bedolla1 y Carlos Octavio Olvera Bermúdez1

Abstract (Computational chemistry in the classroom) The increase in general availability of computing power during the past thirty years represents the fastest and longest sustained technological advance in human history. One of its consequences is that currently we have in our classrooms between twenty and fifty times more computing power than all of the computing power available in the world in 1980. Once this capacity is harnessed to the proper computer codes, it is possible to perform computational chemistry calculations in the personal computers of the undergraduate students of a public university.

We report on a recent pedagogical experience along these lines.

Keywords: Computational chemistry, Computer aided teaching, Quantum chemistry Resumen El incremento en la disponibilidad generalizada de capacidad de cómputo en los últimos treinta años representa el avance tecnológico sostenido más grande y rápido de la historia de la humanidad. Una de sus consecuencias es que, actualmente, tengamos en el salón de clases entre veinte y cincuenta veces más poder de cómputo que el disponible en el mundo entero en 1980. Combinada con los programas de cómputo adecua­ dos, esta capacidad hace que sea posible hacer química com­ putacional con las computadoras de los estudiantes de licen­ ciatura de una universidad pública. Reportamos esta experiencia didáctica reciente.

El avance tecnológico más grande y más rápido de la historia La primera premisa en la que se basa el presente reporte es que el poder de cómputo disponible en el salón de clases es muy superior al disponible en todo el mundo cuando algunos de los maestros de la actualidad hicieron sus tesis de posgrado.

Las primeras computadoras personales, que se empezaron a vender en 1986, tenían 512 kilobytes de RAM, no tenían disco duro y la velocidad de su reloj era menor de 1 MHz. Sin embargo su precio, en dinero de aquella época, era de varios miles de dólares. Actualmente se puede conseguir una compu­ tadora portátil con 1 Gb de RAM, 80 Gb en disco duro y un reloj de 1.86 GHz, por menos de mil dólares de los de ahora.

La comparación anterior entre dos máquinas de capacidades tan distintas es injusta. De hecho, el problema de comparar

Departamento de Física y Química Teórica, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México.

Correos electrónicos: carlos.amador@unam.mx carlosoob@gmail.com Enviado: 6 de febrero de 2008; aceptado: 29 de junio de 2008.

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didáctica de la química

los precios de computadoras de distintas épocas, incluyendo una medida de sus capacidades, es un problema abierto en la comunidad de los economistas (Berndt y Rappaport, 2001; Pakes, 2003). Y es que estos dos fenómenos —el incremento sostenido de la capacidad de cómputo disponible y el decre­ mento sostenido en el precio de las computadoras—, desde la aparición de la computadora personal hasta la fecha, constitu­ yen el crecimiento tecnológico más extenso y más veloz de la historia de la humanidad.1 Desde 1993 se califican las qui­ nientas computadoras más grandes del mundo y los resulta­ dos se publican año con año (Meuer et al., 2008). El poder de cómputo acumulado en 2007 por esas quinientas computa­ doras era de 6.97 PF —petaflops, 1015 operaciones de punto flotante por segundo—, mientras que el equivalente acumula­ do en 1993 era de 1.12 TF —teraflops, 1012 operaciones por segundo. El incremento en este poder de cómputo sigue pre­ cisamente la ley de Moore2 y corresponde a un tiempo de Considérese que el poder de cómputo se ha duplicado cada dos años durante los últimos cuarenta años, cuando menos, o sea se ha incrementado un millón de veces. Si durante cuarenta años los coches hubieran aumentado su potencia en la misma proporción tendríamos coches de 100 millones de caballos de fuerza, viajando a seis o siete veces la velocidad de la luz. Desde luego, este último ejemplo no es realista, toda vez que existe un límite físico a la velocidad máxima de un objeto. Interesantemente, existen también límites físicos a la densidad de transistores que se pueden empacar en un chip, pero hemos sido tan afortunados en la carrera computacional de los últimos cuarenta años que todavía no nos hemos topado con esa pared.

2 La ley de Moore dice que el número de transistores que se pueden empacar en un chip —una medida técnica, directamente proporcional al poder de cómputo del chip— aumenta exponencialmente con el tiempo, es decir, que se duplica cada cierto periodo fijo. El periodo de duplicación aproximado de esta medida en los últimos cincuenta años ha sido de 24 meses.

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duplicación de aproximadamente 14 meses. Si extrapolamos esta conducta hacia el pasado y calculamos cuál era el poder de cómputo de las quinientas computadoras más poderosas en 1980, lo que probablemente equivale al poder total de cómputo de esa época, antes de la llegada de la computadora personal, encontramos un valor de 0.444 GF —gigaflops, 109 operaciones por segundo—. La computadora portátil mencio­ nada anteriormente, más o menos accesible, tiene un poder de cómputo de unos 11 GF, es decir que la computadora portátil que podrían llevar nuestros alumnos a clase es veinticinco ve­ ces más poderosa que el total disponible en el mundo en 1980.

La segunda premisa es que esta clase de poder de cómputo es, efectivamente, accesible a los estudiantes de licenciatura de las universidades públicas.

La comparación directa del precio de una computadora entre 1986 y la actualidad es incongruente. Por ejemplo, el precio por megabyte de RAM en 1986 era de unos seis mil dólares, mientras que el precio por megabyte de RAM en la actualidad es de un dólar. El problema es que es imposible comprar una máquina, en la actualidad, con un megabyte de RAM. Reducir la incongruencia de estas comparaciones y pro­ porcionar una medida útil es el objetivo de los índices hedo­ nistas de precios (Berndt y Rappaport, 2001; Pakes, 2003). Éstos indican que el costo del cómputo se ha reducido en un factor de cien desde la llegada de la computadora personal.

En términos prácticos esto se manifiesta en la observación (asistemática y nada metódica) de que seis de nuestros doce alumnos en el curso de química cuántica —de cuarto semes­ tre— en la licenciatura de química en una universidad públi­ ca de América Latina llevaban una computadora portátil a la clase. Desde luego esta observación debe formalizarse, pero para efectos prácticos baste señalar que permitió que todo el grupo trabaje en actividades computacionales en el salón de clase.

La tercera premisa es que existe software especializado de química computacional accesible, tanto en la adquisición del programa, como en la posibilidad de aprender a ser utilizado, a los estudiantes de licenciatura.

La experiencia que se relata está basada en la disponibili­ dad del código de química cuántica conocido como GAMESS (Schmidt, et al., 1993, Gordon, et al., 2005) en un disco de arranque —bootable— basado en Knoppix (Knopper, 2008) y distribuido bajo una licencia de GNU (General Public Licen­ se, 2008) por Vigyaan (Agarwal, 2008). La idea de un disco de arranque es fundamental para la experiencia didáctica que se relata. Se trata, como en los inicios del empleo de compu­ tadoras personales, de un disco —en esta vuelta un CD— que contenga el sistema operativo y el programa que se quiere emplear. La clave es que de esta manera no hay nada que instalar en las computadoras de los alumnos, ni importa que las configuraciones de sus máquinas sean distintas. Todas ellas funcionan con el sistema operativo contenido en el disco —una versión limitada de Linux, Knoppix— y cuentan inme­ diatamente con un GAMESS que funciona. Los creadores del abril de 2009

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proyecto Vigyaan (Agarwal, 2008) ofrecen una imagen de ese disco que se puede bajar y reproducir fácilmente para propor­ cionar una copia a cada uno de los alumnos. La distribución opera bajo la licencia general del proyecto de software libre, de tal manera que no hay que pagar derechos y el costo del experimento es simplemente el de la reproducción de los dis­ cos. De esta manera, los estudiantes tienen en sus máquinas una copia de un poderoso programa de química computacio­ nal que se puede emplear fácilmente.

Si bien los resultados de los cálculos de química computa­ cional pueden emplearse ventajosamente en diversas mate­ rias del currículum usual de un licenciado en química, la ex­ periencia reportada en este artículo se limita a su empleo en el curso básico de Química Cuántica, de carácter obligatorio en el cuarto semestre.

Los programas de química computacional en el salón de clase Los programas de química computacional modernos contie­ nen los avances científicos de la disciplina de las últimas déca­ das. Su empleo pleno es difícil y requiere del dominio de in­ trincados aspectos de la química cuántica y computacional.

Sin embargo, es posible su empleo limitado para hacer cálcu­ los sencillos con parámetros estándar que funcionan acepta­ blemente bien en la mayoría de los casos. Por ejemplo, una vez que el estudiante ha cargado el disco con el sistema ope­ rativo y el programa, sólo hace falta que cree el archivo si­ guiente para obtener la estructura electrónica del átomo de nitrógeno $CONTRL SCFTYP=UHF MULT=4 RUNTYP=ENERGY COORD=CART NPRINT=8 $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=6 $END $DATA Atomo de nitrogeno en una base minima C1 N 7.0 0. 0. 0. $END

El programa genera un archivo de salida en donde es rela­ tivamente sencillo encontrar resultados acerca de la energía de los orbitales moleculares, su composición, la estructura electrónica y, particularmente, la energía total de este átomo dentro de esta aproximación:

TOTAL ENERGY.= -54.2491119945 ELECTRON-ELECTRON. POTENTIAL ENERGY.= 20.0251897828 NUCLEUS-ELECTRON.

POTENTIAL ENERGY.= -128.9153045110

NUCLEUS-NUCLEUS.

POTENTIAL ENERGY.= 0.0000000000 ----------------- TOTAL POTENTIAL ENERGY.= -108.8901147282

TOTAL KINETIC ENERGY.= 54.6410027337

VIRIAL RATIO (V/T).= 1.9928278999

didáctica de la química

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Mínimas modificaciones del archivo de entrada —la carga del átomo, la multiplicidad del estado— $CONTRL SCFTYP=UHF MULT=3 RUNTYP=ENERGY COORD=CART NPRINT=8 ICHARG=1 $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=6 $END $DATA Atomo de nitrogeno en una base minima C1 N 7.0 0. 0. 0. $END

permiten calcular la energía del catión monovalente TOTAL ENERGY = -53.7652037575

y, de estos resultados, obtener una aproximación de 13.167 eV para el potencial de ionización del nitrógeno —a comparar con el valor experimental de 14.534 eV (Basic Atomic Spec­ troscopy Data, 2008). Desde luego se puede seguir la direc­ ción de mejorar la aproximación y realizar un cálculo más sofisticado y más realista, pero lo que se quiere destacar es que con esta herramienta los estudiantes pueden calcular una aproximación a la energía de ionización de un átomo en el salón de clases en minutos.

La disponibilidad de esta herramienta en el salón de clase permite aprovecharla en dos direcciones principales. La pri­ mera es para profundizar en los detalles técnicos de la solu­ ción de la ecuación de Schrödinger para sistemas atómicos y moleculares y presentar ejemplos específicos cuando se habla, dentro del programa del curso, de multiplicidades, conjuntos de base, aproximaciones, intercambio y correlación, etcétera.

Al seguir esta línea se aumenta la profundidad con la que se utiliza el programa de cómputo. La segunda dirección es en el estudio de problemas químicos reales, que permite imaginar innumerables situaciones. Existen algunas propuestas especí­ ficas de problemas químicos en los que el uso de esta herra­ mienta proporciona una ventaja didáctica. Presentamos a continuación algunos ejemplos publicados de estas propuestas.

Zeegers (1997) usa MOPAC (Stewart, 2007), un programa gratuito que implementa una aproximación semiempírica, para que los estudiantes calculen, en estaciones de trabajo, la carga en cada uno de los átomos de anillos aromáticos susti­ tuidos para ilustrar conceptos de reactividad. Holme (1999) usa GAMESS en un laboratorio equipado con estaciones de trabajo Sun Ultra para ilustrar las aproximaciones básicas del método Hartree-Fock y las diferencias entre los métodos de mecánica molecular, los semiempíricos y los de primeros principios. Van Haaren et al. (2002) usan el software comer­ cial Spartan (Wavefunction, 2008) para estudiar dos isómeros de complejos de Pd(1-Me-alilo) —syn y anti— y calcular geo­ metrías con métodos de mecánica molecular y de teoría de funcionales de la densidad. Barrows y Eberlein (2004) usan también Spartan y una minimización de energía basada en la mecánica molecular (AM1) para estudiar efectos conforma­

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didáctica de la química

cionales en alquenos y en alquenos cíclicos, que les sirven para matizar generalizaciones injustificadas que se encuen­ tran en los libros de texto. Pearson (2007) usa Gaussian 03 (Frisch, 2004) —otro programa comercial, por cierto muy costoso— para que los alumnos calculen constantes rotacio­ nales y constantes de fuerza para una serie de moléculas dia­ tómicas de átomos representativos.

Reiteramos que la solución que se propone en el presente artículo tiene las ventajas inmediatas de que el software es gratuito y que los cálculos se realizan en las computadoras de los estudiantes sin modificar las configuraciones de sus má­ quinas. Esto último es particularmente útil para facilitar la curva de aprendizaje del uso de este tipo de programas y de las habilidades computacionales asociadas —la edición de ar­ chivos, la ejecución de comandos, etcétera—, toda vez que el alumno trabaja en un ambiente computacional familiar. Una vez superada esta curva de aprendizaje se puede proceder, desde luego, a realizar cálculos más sofisticados que pudieran requerir recursos de cómputo adicionales —algunas veces costosos— generalmente también disponibles en nuestras universidades.

El trabajo final de los estudiantes del curso donde se aplicó originalmente esta propuesta consistió en el cálculo de ener­ gías de ionización, afinidades electrónicas y configuraciones electrónicas de los primeros 54 átomos de la tabla periódica.

Los resultados dependen del nivel de teoría que empleó cada equipo, y las diferencias entre ellos provocaron discusiones que contribuyeron a profundizar el aprendizaje. Algunos gru­ pos de estudiantes emprendieron, bajo iniciativa propia, cálcu­los moleculares más complicados y han seguido reali­ zándolos después de finalizar el curso, sugiriendo la conclu­ sión de que han incorporado esta herramienta a su acervo personal.

Algunas aplicaciones iniciales posibles El empleo de cálculos modernos de química computacional en el salón de clases que se describe aquí —en este caso en un curso de química cuántica pero que se puede extender a otros cursos del currículum químico— fue empleado en un segundo curso recientemente. En éste se pudieron diseñar ejercicios específicos que ilustran las posibilidades didácti­ cas de este abordaje. A continuación presentamos algunos ejemplos.

1. Cálculo de la estructura electrónica de moléculas diató­ micas homonucleares de la primera fila. El cálculo de Hartree-Fock con base mínima permite observar la inver­ sión en el orden energético de los orbitales moleculares entre la molécula de N2 y la de O2, como se puede ver en la figura 1.

2. Cálculo de las dos primeras energías de ionización de los átomos de litio y flúor. El objetivo es calcular las energías de ionización de dos elementos de familias radicalmente distintas. Los resultados del cálculo más sencillo posible (Hartree-Fock, base mínima) producen educación química •

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átomo Li Li+ Li++ F F+ F++

Energía (Ha) –7.364233 –7.235839 –4.493698 –99.394158 –98.817466 –97.593997

PI teo. (kJ/mol) 337.10 7199.49

PI exp. (kJ/mol) 520.3 7298

1514.10 3212.22

1681 3375

Este cálculo sencillo produce resultados razonablemente cercanos a los experimentales y reproduce las tendencias periódicas observadas; por ejemplo, que el segundo poten­ cial de ionización de litio es mucho más grande que el se­ gundo potencial de ionización de flúor.

3. Cálculo de la afinidad electrónica del oxígeno atómico. El ión negativo de oxígeno es más estable que el átomo neu­ tro y un electrón. Sin embargo, se requiere un cálculo li­ geramente más sofisticado para obtener resultados razo­ nables, ya que una base mínima produce resultados con el signo contrario. átomo O O– O– –

Energía (Ha)

AE teo. (kJ/mol)

AE exp. (kJ/mol)

–74.802496 –74.745163 –74.242784

–150.53 –1319

+141 –844

El cambio en las funciones de base, de N311 a TZV modi­ fica los números en la dirección correcta. átomo O O– O– –

Energía (Ha)

AE teo. (kJ/mol)

–74.810353 –74.886488 –74.3662444

+199.89 –1381.65

AE exp. (kJ/mol) +141 –844

4. El cálculo de la energía de combustión del etano, del ete­ no y del etino. Para calcular la energía de combustión de cada uno de estos compuestos —y comprobar que se li­ bera más energía entre más saturado esté el compuesto— es necesario calcular la energía total de cada uno de los compuestos participantes en la reacción de combustión en su geometría optimizada. El cálculo de Hartree-Fock y base mínima produce: compuesto etano eteno etino

∆Ecalc (kJ/mol) –971.5 –906.5 –894.2

∆Hexpt (kJ/mol) –1560 –1411 –1300

Se debe discutir en el salón de clases, de nuevo, el origen de las marcadas diferencias entre energías internas y entalpías.

Conclusiones El objetivo principal de este artículo es el de presentar a la comunidad la existencia de una alternativa sencilla y práctica abril de 2009

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Figura 1. El orden de los orbitales moleculares de las diatómicas homonucleares de la primera fila de la tabla periódica se invierte entre N2 y O2.

para realizar cálculos de química computacional modernos —rápidos y precisos— en el salón de clases. El potencial de aplicación de esta tecnología en los distintos cursos del currícu­ lum de química es inmenso y podría ser explorado favorable­ mente por nuestros colegas que adopten esta herramienta.

Agradecimientos El éxito en la puesta en marcha de este proyecto se debió principalmente al entusiasmo de los estudiantes del curso de Química Cuántica I: D. Alavez; I. Badillo; Y. Flores; A. Her­ nández; M. I. Leyva; J. A. Martínez; A. F. Ochoa; D. Palma; C. A. Ramírez; M. A. Reyes; C. I. Salas; G. Salazar, y M. E. Vázquez. Agradecemos el apoyo de DGAPA a través del pro­ yecto PAPIIT IN206507.

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G., Rega, N., Petersson, G.A., Nakatsuji, H., Hada, M., Ehara, M., Toyota, K., Fukuda, R., Hasegawa, J., Ishida, M., Nakajima, T., Honda, Y., Kitao, O., Nakai, H., Klene, M., Li, X., Knox, J.E., Hratchian, H.P., Cross, J.B., Adamo, C., Ja­ ramillo, J., Gomperts, R., Stratmann, R.E., Yazyev, O., Aus­ tin, A.J., Cammi, R., Pomelli, C., Ochterski, J.W., Ayala, P.Y., Morokuma, K., Voth, G.A., Salvador, P., Dannenberg, J.J., Zakrzewski, V.G., Dapprich, S., Daniels, A.D., Strain, M.C., Farkas, O., Malick, D.K., Rabuck, A.D., Raghavacha­ ri, K., Foresman, J.B., Ortiz, J.V., Cui, Q., Baboul, A.G., Clif ford, S., Cioslowski, J., Stefanov, B.B., Liu, G., Liash­ enko, A., Piskorz, P., Komaromi, I., Martin, R.L., Fox, D.J., Keith, T., Al-Laham, M.A., Peng, C.Y., Nanaya­kkara, A., Challacombe, M., Gill, P.M. W., Johnson, B., Chen, W., Wong, M.W., Gonzalez, C., Pople, J.A., Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.

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educación química •

abril de 2009

didáctica de la química

¿Moléculas sin esqueleto?: La oportunidad perfecta para revisar el concepto de estructura molecular Mónica Cerro1 y Gabriel Merino2

ABSTRACT (Molecules without framework? The perfect opportunity to review the concept of molecular structure) Knowledge of the molecular structure of a compound is a milestone to understand its physical and chemical behavior. It is common to visualize the structure of a molecule as a permanent construction with translational, rotational, and vibrational motion, that is, molecules owe a structure that is analogous to a skeleton with motion. However, there are molecules with a fluxional structure, molecules without a defined structure, where their skeleton changes or breaks forming a different one without a considerable energy expense. The existence of such molecules makes the limitations of the present model evident.

Keywords: molecular structure, fluxionality, spectroscopy

Hasta hoy, la noción de estructura molecular como un arreglo tridimensional de átomos bien definido que posee movimiento translacional, rotacional y vibracional es uno de los pilares donde se soporta la Química. En los cursos introductorios aprendemos reglas para dibujar estructuras químicas de compuestos orgánicos e inorgánicos. Aprendemos que no sólo importa el tipo y la cantidad de átomos que constituyen una molécula, también importa cómo éstos se distribuyen en el espacio. Finalmente, aprendemos diferentes técnicas espectroscópicas para elucidar dicha estructura, pues al conocerla se puede explicar sus propiedades físicas y químicas. En pocas palabras “uno no entiende el comportamiento de una molécula hasta que se conoce su estructura” (Coulson, 1972). Pero, ¿qué hacer si una molécula carece de estructura, o bien, si su estructura molecular no puede explicarse mediante los modelos tradicionales? Este manuscrito pretende introducir algunos detalles extras que definen a la estructura molecular, con la finalidad de acentuar que la estructura molecular es una propiedad dinámica de respuesta y no una propiedad estática.

La estructura de una molécula depende de tres factores: el tipo y número de átomos que la constituyen, la distribución espacial de los núcleos y la conectividad entre ellos. Una modificación en una de estas tres variables provoca cambios en las propiedades físicas, químicas y biológicas de la molécula.

Departamento de Ciencias Químico-Biológicas, Universidad de las Américas, Puebla, Ex-Hda. de Sta. Catarina Mártir, Cholula 72820, Puebla, México.

2 Departamento de Química, Universidad de Guanajuato. Col. Noria Alta s/n C.P. 36050, Guanajuato, Gto., México.

Recibido: 24 de abril 2008; aceptado: 30 de diciembre 2008.

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Así, los isómeros geométricos difieren en sus puntos de fusión y reactividad, mientras que isómeros conformacionales (confórmeros) presentan actividad biológica que puede variar enormemente de un isómero a otro. De acuerdo con un paradigma fundamental de la Química, la estructura molecular es una propiedad inherente y es casi imposible explicar y predecir el resultado de una reacción química sin tener una noción de ella.

Así, la estructura molecular tiene tres características que la definen: la constitución, la configuración y la conformación.

La constitución señala la forma y secuencia de unión de los átomos, la configuración indica el arreglo espacial de los núcleos y la conformación precisa el número de arreglos espaciales posibles que resultan de la rotación de un grupo de átomos sobre un enlace sencillo. No obstante, usualmente sólo se utilizan las distancias y los ángulos de enlace (incluyendo los ángulos de torsión) para tratar de establecer la estructura de una molécula.

Por otra parte, la mayoría de las moléculas se asocian a estructuras donde la posición relativa de los núcleos es casi invariante. Pero existen excepciones donde la amplitud de los movimientos nucleares es considerable. Dichas moléculas se califican como flexibles, moléculas cuyos enlaces no son permanentes; es decir, poseen una estructura tan cambiante que no es posible asignarles una estructura única. Sus estructuras se transforman entre sí tan rápidamente, de ahí que, en inglés se denominen “fluxional molecules”, donde “fluxional” significa en constante cambio.

Entre estos tipos de sistemas se puede mencionar al ciclohexano (figura 1a), el cual sufre inversiones en un breve lapso de tiempo provocando el intercambio en las posiciones de los átomos de hidrógeno. Otros ejemplos son el pentacarbonilo de hierro o el pentafluoruro de fósforo quienes intercambian didáctica de la química

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(a) En las inversiones de silla del ciclohexano, los hidrógenos axiales (esferas en color marrón) se convierten en ecuatoriales a temperatura ambiente.

(b) En la pseudo-rotación de Berry dos átomos en las posiciones ecuatoriales (esferas grandes) se alejan entre sí para ocupar las posiciones apicales.

Figura 1. Sistemas flexibles donde no hay rompimineto de enlaces.

las posiciones de sus átomos a través de un mecanismo denominado pseudo-rotación de Berry (figura 1b). Por su parte, la dimetilformamida presenta una sola señal para sus grupos metilo a 100°C, mientras que a temperatura ambiente se observan señales separadas. Los ejemplos anteriores representan sistemas flexibles donde no hay un rompimiento de enlaces.

Sin embargo, existen moléculas flexibles donde el rompimiento y la formación de enlaces requieren una cantidad mínima de energía. Por ejemplo, el bulvaleno, C10H10 (figura 2), sufre arreglos tipo Cope tan rápidos que los diez átomos de hidrógeno y los diez de carbono son equivalentes; esto se refleja experimentalmente en el espectro de resonancia magnética nuclear tomado a 120ºC, el cual muestra una sola línea espectral. En otras palabras, a esta temperatura, el bulvaleno carece de enlaces carbono-carbono permanentes (Ault, 2001).

La existencia de estas moléculas demuestra la necesidad de visualizar al modelo de estructura molecular como un modelo dinámico en continua evolución. Además, debe tenerse en mente que el concepto de estructura molecular no depende únicamente de un modelo teórico, si no de las condiciones experimentales utilizadas para determinar las posiciones de los núcleos.

Un poco de historia La idea de estructura molecular surge en el siglo XVII cuando Robert Boyle señala que, al admitir la hipótesis de Demócrito

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didáctica de la química

(la materia se constituye de átomos), es conveniente reconocer que en el mundo existe un tipo de principio arquitectónico que opera desde el comienzo del universo. La idea permaneció estancada hasta mediados del siglo XIX cuando surgieron los primeros modelos sobre estructura molecular. Friedrich A. Kekulé (Benfey, 1958) propuso que las propiedades de los hidrocarburos son parecidas debido a que poseen estructuras moleculares similares. Más tarde, el estudio del isomerismo óptico de Louis Pasteur fue básico para asignar una estructura tridimensional a las moléculas. En 1874, Jacobus H. van’t Hoff y Joseph A. LeBel, al estudiar de manera independiente el isomerismo de moléculas asimétricas, descubrieron una relación entre la actividad óptica y la orientación espacial de los átomos, resaltando la importancia de una estructura tridimensional. En una molécula tetraédrica, con un átomo de carbono central rodeado de cuatro sustituyentes diferentes (carbono asimétrico), se obtienen dos arreglos que son imágenes especulares entre sí. La teoría desarrollada por Kekulé, van’t Hoff, LeBel y otros, interpreta la estructura molecular sin considerar la fuerza que los enlaza, es decir, es un modelo puramente geométrico (Mulckhuyse, 1961), o como lo designa Giuseppe Del Re “la fase geométrica de la estructura molecular” (Del Re, 1998). Años más tarde, Gilbert N. Lewis introdujo nuevos elementos para reforzar el concepto de estructura molecular (Lewis, 1916), ya que al simbolizar a los electrones enlazantes mediante puntos y al núcleo con el símeducación química •

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bolo del átomo que participa en el enlace, es posible apro­ ximarse a la estructura y al tipo de enlaces implicados (el famoso octeto de Lewis). El modelo geométrico y las ideas de Lewis son la esencia del modelo clásico de estructura molecular, el cual afirma que ésta es un atributo inherente al sistema.

El desarrollo de la Mecánica Cuántica motivó que algunos elementos del modelo clásico se formularan en términos cuánticos. Como resultado surgió un modelo basado sobre algunos postulados fundamentales de la Mecánica Cuántica.

Si los estados electrónicos se separan de los estados rotacionales y vibracionales, entonces los cambios energéticos asociados a cada uno de ellos también se separan. Experimen­ talmente, los espectros rotacionales y vibracionales se pueden medir de forma independiente; así, la forma molecular es constante y aproximadamente autónoma de las excitaciones rotacionales y vibracionales. Max Born y Robert Oppenheimer (Born, 1927) mostraron que si el movimiento de los núcleos es mucho más lento que el movimiento de los electrones, entonces los desplazamientos de los núcleos respecto a sus posiciones de equilibrio son mucho menores a las distancias de enlace, lo cual permite separar la parte electrónica de la parte nuclear. No obstante, a pesar de que la aproximación de Born-Oppenheimer se satisface para estados electrónicos basales de moléculas neutras, es común que falle en estados excitados de moléculas poliatómicas e iones (Woolley, 1978).

(a) “Estructura” del bulvaleno.

El modelo dinámico de la estructura molecular Tal y como lo plantea Pawel Zeidler (Zeidler, 2000), los métodos espectroscópicos juegan un papel primordial en la definición de la estructura molecular. Los datos obtenidos de los estudios espectroscópicos son cantidades macroscópicas (por ejemplo, la distancia entre líneas del espectro) se emplean para determinar propiedades microscópicas (como las distancias entre los núcleos). Pero surge una cuestión fundamental: si las partículas no son completamente localizables (principio de incertidumbre de Heisenberg), ¿cómo explica la Mecánica Cuántica que las moléculas posean estructura? Esto adquiere una mayor relevancia cuando se intenta definir conceptos como la distancia de enlace. Por ejemplo, si se emplea una radiación de microondas con una frecuencia similar a la originada por una rotación molecular, entonces la distancia entre dos átomos es el promedio de las distancias producidas por las vibraciones. Pero, si se utiliza la difracción de electrones, entonces la distancia internuclear es el valor medio de las distancias entre los centros de las nubes electrónicas de los átomos.

Por lo tanto, no es posible obtener una referencia absoluta del término “distancia de enlace”, sino únicamente interpretaciones relativas (Löwdin, 1991) dependientes de la perturbación aplicada al sistema. En consecuencia, la distancia de enlace depende de la medición.

Durante el siglo XX, el avance tecnológico ha incitado el surgimiento de nuevas técnicas capaces de medir los espectros moleculares con mayor precisión, lo que ha provocado el cuestionamiento de los modelos clásicos de estructura mo­ abril de 2009

• educación química

(b) El bulvaleno sufre rearreglos tipo Cope rápidos debido a que las barreras de reacción involucradas son pequeñas. La consecuencia es que existen ¡1,209,000 isómeros!. Aquí sólo se ejemplifican seis de ellos.

Figura 2. Estructura estática del bulvaleno y los rearreglos tipo Cope que presenta.

lecular y el surgimiento de nuevas propuestas que intentan modificar el carácter “estático” del concepto (Papousek, 1982).

El modelo dinámico de estructura molecular es más extenso; en él, la posición de los núcleos depende de la rotación de la molécula, es decir, un cambio en el estado rotacional induce un cambio en los estados vibracionales, de ahí que la distancia internuclear esté sujeta a la velocidad angular rotacional (Konarski, 1987; Konarski, 1987; Konarski, 1994). Por otro lado, el potencial efectivo en el cual se mueven los núcleos también se describe vía los movimientos roto-vibracionales de los núcleos. Así, el modelo dinámico se reduce al rígido, cuando la separación entre los niveles rotacionales y vibracionales relacionados es mayor que la energía térmica.

Entonces, el concepto de estructura también es dependiente de la temperatura. En consecuencia, el modelo dinámico de didáctica de la química

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estructura molecular es capaz de resolver algunos de los problemas que el modelo clásico no puede solucionar.

Es importante observar que el movimiento nuclear depende, en gran parte, del estado electrónico, pero también de­ pende de la interacción con el medio (colisiones con otras moléculas, la influencia de campos externos, etc.). Así, la forma de una molécula no es una propiedad estática. Luego, la noción de estructura molecular pierde su sentido original y se transforma en una imagen que representa una propiedad molecular que evoluciona en el tiempo La estructura molecular cambia en el tiempo dependiendo de las condiciones experimentales o, como la define Jeffry L. Ramsey, “la estructura no es una propiedad intrínseca, sino una propiedad de respuesta” (Ramsey, 1997).

CH5+: seis átomos con una estructura compleja

Un ejemplo fascinante que ilustra todo lo discutido en párrafos anteriores es el producto de la protonación del metano, el ion metanio: CH5+. A pesar de ser un sistema relativamente “simple”, el primer espectro de infrarrojo de alta resolución de esta especie se obtuvo hasta 1999 por Takeshi Oka y colaboradores (White, 1999). El espectro posee 917 líneas en un intervalo de 2800 a 3100 cm–1 (la región de estiramiento del enlace C–H, ver figura 3). Tal cantidad de información espectral no puede asociarse a una estructura rígida, por lo cual los autores mencionan lo siguiente: “Aquí presentamos su espectro [del CH5+] sin asignación, o sin con una comprensión cualitativa.” Éste es el ejemplo perfecto para mostrar que no existe una relación directa entre la complejidad y el tamaño de un sistema.

No obstante, los primeros detalles sobre el CH5+ no fueron de origen experimental, sino teórico. Hasta 1970 se consideró que los cinco átomos de hidrógeno en el CH5+ eran equivalentes. Sin embargo, los primeros cálculos efectuados por Werner Kutzelnigg, John Pople y otros, modificaron esta posición (Dyczmons, 1970; Harihara, 1972). Los estudios teóricos proponen que el ion metanio consiste de dos unidades: un fragmento CH3+ enlazado fuertemente a una molécula de hidrógeno, H2 (D0 = 167-188 kJ mol–1), a través de un enlace de tres centros-dos electrones (3c-2e) (Schleyer, 1992; Schreiner, 1993; Muller, 1997; Mendez-Rojas, 1999), tal como el que se halla en el diborano. El mínimo energético posee una simetría Cs(I) al igual que el estado de transición involucrado con la rotación del fragmento H2, Cs(II), figura 4. La diferencia energética entre ambas estructuras es de aproximadamen-

Figura 3. Espectro de infrarrojo de alta resolución del CH5+.

te 0.4 kJ mol–1. Un segundo estado de transición, con un grupo puntual C2v, controla la transferencia de los átomos de hidrógeno del fragmento H2 al CH3+. El término técnico para este proceso es pseudo-rotación. Estas diferencias de energía son tan pequeñas (quizás es necesario recordar que la ruptura de un enlace C–H requiere aproximadamente 400 kJ mol–1) que todo indica que la superficie de energía potencial del CH5+ es extremadamente plana, lo que lo provoca que la estructura del ion metanio sea altamente flexible, donde los cinco átomos de hidrógeno transitan sobre una cáscara esférica centrada en el átomo de carbono; es decir, a la luz de lo que conocemos como estructura química, el ion metanio simplemente carece de la misma.

Dominik Marx y Michele Parrinello examinaron el problema desde un punto de vista dinámico (Marx, 1995; Marx, 1997; Marx, 1997a). Al emplear una dinámica molecular observaron que la molécula experimenta toda una serie de rotaciones y pseudo-rotaciones, lo que provoca que, estadísticamente, los átomos de hidrógeno sean equivalentes. No obstante, hay una alta probabilidad de identificar al estado basal del ion metanio. Los autores comparan la situación con la de un “líquido intramolecular”, donde los hidrógenos se mueven de forma tal que preservan la estructura local.

Puntos a remarcar Sistemas con estructuras flexibles como el CH5+ o el bulvaleno son cada vez más comunes en la literatura. Tal y como lo planteó Coulson, si somos capaces de comprender su estructura molecular entonces somos capaces de entender su comportamiento, pero para ello es necesario tener en cuenta que los modelos actuales son sólo eso: modelos (Bibriesca, 2008) y que, por lo tanto, en algunos casos será necesario emplear modelos más sofisticados para entender aquellas moléculas que carecen de esqueleto. Cabe mencionar que numerosas inferencias sobre la actividad o la función molecular deben

Figura 4.

Conformaciones del ion metanio.

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hacerse con una visión dinámica de la estructura molecular pues, como se muestra en el manuscrito, en muchas situaciones, los átomos en una molécula no ocupan lugares fijos en el espacio. Incluir la variable tiempo, i. e., la dinámica, en la estructura molecular es, por lo tanto, un elemento fundamental para avanzar en nuestra comprensión de la relación estructura-actividad.

Agradecimientos Los autores agradecen el soporte de la Dirección de Investigación y Posgrado de la Universidad de Guanajuato. Asimismo, los autores agradecen las eternas y valiosas discusiones con Alberto Vela y Magali Salas. Los comentarios de los revisores fueron fundamentales para darle forma final al manuscrito.

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didáctica de la química

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didáctica de la química

El constructivismo y la química analítica del profesor Gaston Charlot Margarita Rosa Gómez-Moliné,1 Alberto Rojas-Hernández,2 María Teresa Ramírez-Silva2

Abstract (Constructivism and Analytical Chemistry of Professor Gaston Charlot) The structure of analytical chemistry designed by Prof. Gaston Charlot in France, about 1940, begins with a very simple model of chemical reaction, understood as a process in which a donor gives only one kind of particles to an acceptor. When this model is assimilated by the student then the study of chemical reactions that exchange two or more type of particles is presented. Gradually the model incorporates the study of more and more complex reactions and processes, as precipitation, redox, non aqueous solvents, and separations, among others.

This approach permits to plan and resolve complex problems of analytical and industrial chemistry. In the present work we show the analogies of the analytical chemistry proposed by G. Charlot and the principles of constructivism applied nowadays to the teaching of sciences.

Keywords: Constructivism, Analytical Chemistry, Charlot Introducción La enseñanza del análisis cualitativo y cuantitativo que se im­ partía en los años 50 en la Escuela de Química Universidad Nacional Autónoma de México, en Tacuba, fue muy intere­ sante y motivadora porque se aprendía a identificar elemen­ tos químicos y algunos compuestos basándose en la marcha de Bunsen, a manipular tubos de ensaye, aparatos para sulfhi­ drar, a filtrar, a secar y a calcinar. También se aprendía a disol­ ver muestras y a poner crisoles y pesafiltros a peso constante, entre otras muchas otras manipulaciones, que son útiles en la vida profesional. Algunos estudiantes eran felices durante tar­ des enteras durante nueve meses en el laboratorio de análisis cualitativo y otros tantos en el de análisis cuantitativo, obser­ vando la formación de precipitados de hermosos colores y de reacciones inesperadas, imprevisibles para ellos. Esto permitía comprender, finalmente, que la formación de nuevas sustan­ cias depende de la capacidad que se adquiere para seleccionar los reactivos y las condiciones más adecuadas de reacción.

Pero este tipo de enseñanza, ¿capacita para diseñar un nue­ vo método de identificación o cuantificación de un elemento desconocido, en un medio distinto del indicado en la receta?

Cuando se trata de innovar, de responder a nuevos retos, no se

Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Departamento de Ciencias Químicas. Sección de Química General.

2 Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Departamento de Química. Área de Química Analítica. San Rafael Atlixco 186. Col. Vicentina. CP. 09340 México, D.F. México.

1

Recibido: 2 de agosto 2007; aceptado: 8 de julio de 2008.

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didáctica de la química

puede depender únicamente de la enseñanza descriptiva y memorística, que en México se conoce como tradicional.

La labor de un químico analítico, hoy en día, se enfoca a resolver los problemas que se presentan cada vez con una complejidad mayor: identificación y cuantificación de tra­ zas cada vez más débiles de una enorme cantidad de elemen­ tos y compuestos, en medios cada vez más diversos y más di­ fíciles de separar.

Hay que proponer, diseñar, predecir y valerse de otros co­ nocimientos, pero ¿cómo?

Para el aprendizaje, ¿cuál es el valor del punto de vista práctico que trata de acumular conocimientos particulares sin relacionarlos con conocimientos generales?

Durante años no hubo cambios significativos en los libros de análisis químico, presentaban recetas cada vez con mayo­ res detalles que el estudiante tenía que memorizar.

A fines del siglo XIX, W. Ostwald demostró que no son las recetas sino los principios, los conceptos, las leyes y los mode­ los de la química (sobre los cuales reposan los análisis), los únicos capaces de hacer del análisis químico una ciencia clara y lógica (Urbain, 1912).

El Profesor Gaston Charlot, en los años 40, basándose en las ideas de Ostwald, Kolthoff, Lingane, Furman y sobre todo en las de Brønsted y Lowry, desarrolló una metodología de enseñanza de la química analítica basada en conceptos quími­ cos fundamentales y sus relaciones, para plantear y resolver problemas de química (Charlot, 1966).

Objetivo Este trabajo pretende mostrar las analogías entre el método de estudio de la Química Analítica propuesto por G. Charlot y las teorías del constructivismo que actualmente se conside­ ran como aquellas que ofrecen mayores posibilidades para la enseñanza de las ciencias. educación química •

abril de 2009

La evolución de los modelos de enseñanza de las ciencias: el constructivismo Durante el siglo XX la enseñanza de las ciencias ha ido adap­ tándose a las necesidades de la sociedad (Jiménez, 1992). Así, desde el modelo de transmisión-recepción (o tradicional) que consiste en la transmisión verbal de conocimientos ya elabo­ rados, traspasados a la mente del alumno a través de descrip­ ciones orales o escritas, pasando por el modelo conductivista (a veces mejor conocido como conductista), basado en la de­ finición clara de objetivos a alcanzar para preparar más inves­ tigadores y más tecnólogos, sin tomar en cuenta su desarrollo mental, hasta llegar al modelo de descubrimiento, el cual par­ te de la premisa de que imitando el método científico, el alumno podría no sólo asimilar los contenidos sino también convertirse en un científico. Por otra parte, desde los años 70 vienen desarrollándose las teorías constructivistas, que conci­ ben el aprendizaje como una construcción activa de saberes significativos y son las que actualmente se piensa que ofrecen posibilidades más atractivas para la didáctica de las ciencias y se adaptan mejor a los objetivos propuestos por la sociedad.

Nos referimos a un constructivismo psicológico y educativo, no a las teorías sociales sobre el mismo, cuya diferencia queda aclarada en el artículo de Bernal (2006).

En el constructivismo convergen las teorías de Piaget, Au­ subel, Vygotski y otros más, así como la de generación de es­ quemas (procesamiento de la información). Pero cuando en este trabajo se emplea el término constructivista no se refiere tanto a las investigaciones sobre cómo los estudiantes desa­ rrollan su pensamiento en abstracto sino cómo se aprenden determinadas materias y contenidos.

Existen dos principios básicos en los que converge el pen­ samiento constructivista (Gómez y Sanmartí, 1996): 1) La idea de que el pensamiento es activo en la construc­ ción del conocimiento; es decir, que el aprendizaje es más una consecuencia de la actividad mental del que aprende, que una acumulación de informes y procedimientos.

2) La idea de que los conceptos son inventados más que descubiertos; es decir, el que aprende construye formas propias de ver y explicar el mundo, cosa diferente de pensar que a través de su actividad redescubre los con­ ceptos y teorías propias de la ciencia actual.

Para la enseñanza constructivista es preciso que el estu­ diante se compenetre con el problema y vaya conjugando sus ideas previas y los informes y procedimientos para desarrollar una actividad mental que le permita hacer suyos nuevos con­ ceptos de forma significativa y personal. Se distingue de la enseñanza tradicional en que acepta que los modelos con que se explica la ciencia no son únicos ni imperecederos, sino que cada estudioso los revalora y reconstruye de acuerdo con sus propias observaciones y a nuevas evidencias experimentales.

A partir de estos conceptos y modelos se resuelven nuevos problemas de acuerdo con sus propias características. Esto es, no se aplica una receta única, buena para todo.

Digamos que para construir un edificio, se debe conocer abril de 2009

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las leyes y recomendaciones propias de la ingeniería para apli­ carlas a nuevas y diferentes construcciones, pues se requiere elaborar planos y procedimientos de acuerdo a cada caso par­ ticular: según la altura que se pretenda alcanzar para el edificio se requieren cimientos adecuados, según el suelo en que la cons­ trucción se va apoyar se requieren distintos materiales, etcétera.

En la enseñanza de las ciencias y de la química en particu­ lar se ha visto que hay que construir el conocimiento anali­ zando las ideas previas y las concepciones alternativas del es­ tudiante y sobre éstas mostrar los razonamientos en que se basa la ciencia química para llegar a leyes y modelos. Estos razonamientos deductivos permiten al estudiante cimentar sólida y significativamente los conceptos sobre los cuales podrá agregar poco a poco conceptos más elaborados y complejos.

El modelo de enseñanza de la Química Analítica propuesto por el Profesor Charlot Después de la Segunda Guerra Mundial, Francia requirió de una intensa investigación en química analítica para apoyar el desarrollo de la energía nuclear. Fue preciso formar un equi­ po de químicos capaces de contribuir a diseñar los procesos de identificación y separación de isótopos a nivel industrial y llevar a cabo los análisis químicos no convencionales de los productos químicos resultado de las pruebas nucleares, con la precisión y exactitud necesarias para apoyar el desarrollo francés de la postguerra (Trémillon, 1998).

Fue necesario rediseñar la enseñanza del análisis químico, analizar y justificar los temas básicos para construir el anda­ miaje del estudio de la nueva Química Analítica en forma lógica y secuenciada. La estructuración de una enseñanza con bases sólidas que permitiera ir más allá de las recetas aprendi­ das de memoria era imprescindible, ya que se trataba con nuevos compuestos de los que no existían precedentes. Este fue el fruto paciente de muchos años que el Profesor Charlot nos heredó su paralelismo con el constructivismo educativo puede deberse a que ambos, el Profesor Charlot y el construc­ tivismo, persiguen fines semejantes: que el estudiante aprenda a aprender, que aprenda a pensar.

La estructura de la nueva Química Analítica se fundamen­ ta en conceptos, algoritmos, modelos y metodologías estudia­ dos en química general los cuales, adecuadamente relacio­ nados, llevan al estudiante a construir su propio conocimiento para resolver los problemas inherentes a las reacciones quími­ cas en disolución, la optimización de procesos, la innovación de métodos, etc.; sea a nivel del laboratorio de análisis quími­ co o de la química industrial.

El conocimiento de la reacción y el equilibrio químico en disolución no es sencillo. Por esta razón el Profesor Charlot empieza con el estudio individual de las reacciones elementa­ les de intercambio de partícula con fines didácticos: empezar con lo más simple para luego combinar los tipos de reacciones y alcanzar lo más complejo. Esto es, tomar el problema como un todo y dividirlo en sus partes componentes, para entonces reconstruir con ellas el todo y, a través de sus relaciones, resol­ ver el problema. didáctica de la química

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Para ejemplificar la metodología se utilizará el ejemplo de los sistemas multicomponentes y multirreaccionantes, en di­ solución acuosa. Con las reacciones más sencillas, como aqué­ llas en las que sólo se intercambia una partícula, con iones con los que el alumno está familiarizado (como Fe2+, Fe3+, CH3COO–, NH4+) se lleva al alumno a comprender un modelo general, muy simple, que se adapta a varios tipos de reacciones: Donador1 = Receptor1 + p Receptor2 + p = Donador2 _________________________________________________ Donador1 + Receptor2 = Receptor1 + Donador2 donde p representa cualquier partícula que posee el donador.

El Profesor Charlot se dio cuenta de que este sencillo es­ quema podía unificar otros similares, como el propuesto inde­ pendientemente por Brønsted y Lowry para reacciones que intercambian protones, o como el presentado por Brinkley (1925), Jette et al. (1925, 1927), Lochte (1927), Hall (1929) y Hazlehurst (1940) para las reacciones de oxidorreducción (o redox, donde la partícula intercambiada es el electrón); también podía aplicarse a las reacciones de complejación (que Charlot llamaba reacciones de intercambio de iones y molécu­ las polares, y que ahora se conocen como reacciones de la química de coordinación, donde generalmente un catión pue­ de aceptar partículas iónicas, como el cloruro, o moléculas neutras, como el amoníaco).

Charlot no sólo extendió y unificó estos esquemas, sino que sistematizó el esquema de intercambio de partícula como nadie antes lo había hecho, con la incorporación de nuevos elementos didácticos y de conceptos fundamentales para el desarrollo del estudio de la química de las disoluciones.

Así, a partir de constantes termodinámicas se enseña a calcu­ lar a los alumnos las constantes de equilibrio para reacciones en medio acuoso. El estudiante dispone de la información ne­ cesaria reportada en la literatura en tablas de constantes de disociación ácido-base, de potenciales estándar o de constantes de formación de complejos, para cada par donador/receptor, con los que puede construir y emplear escalas que permiten la predicción de reacciones principales y secundarias, así como determinar la concentración de cada reactivo cuando se alcan­ za el equilibrio. Esto permite evaluar la cuantitatividad de las reacciones químicas así como definir cuándo una reacción pue­ de ser útil para emplearse en métodos de análisis químico.

La misma estrategia se aplica a reacciones ácido-base, re­ dox y complejos. Si estos tres tipos de reacciones se manejan al nivel deseado, se puede ampliar el estudio introduciendo el tema de solubilidad y precipitación ya que la constante del producto de solubilidad es también una constante termo­ dinámica que permite calcular y predecir cuándo se va a for­ mar un precipitado y cuándo se va disolver, qué componentes quedan en solución y en qué concentraciones. También es po­ sible abarcar el estudio de los equilibrios de reparto entre fa­ ses, tales como la extracción líquido-líquido y el intercambio iónico.

194

didáctica de la química

Sin embargo, en sistemas reales en disolución este modelo puede resultar demasiado simplificado porque en ellos, de acuerdo con el modelo propuesto, puede haber fenómenos que involucran dos o más tipos de reacciones de intercambio de partículas (que es lo más frecuente), que se influyen mu­ tuamente y cuya importancia relativa depende de las condi­ ciones del medio en que se llevan a cabo los procesos quími­ cos. Por lo tanto, después de que se han comprendido las reacciones en las que se intercambia un sólo tipo de partícu­ las, el Profesor Charlot introduce el estudio de intercambio de dos o más partículas, por ejemplo: electrones y protones, electrones y ligandos, precipitación y acidez, etcétera.

Para poder estudiar cuantitativamente el intercambio si­ multáneo de varias partículas, mediante el conocimiento de constantes termodinámicas y potenciales redox publicados en la literatura, se muestra a los estudiantes cómo se pueden calcular constantes y potenciales aparentes (como las llamaba el Profesor Charlot, ahora mejor conocidas como constantes condicionales), que incorporan la acción de las diferentes par­ tículas sobre las propiedades del sistema. De esta forma es posible saber cómo los potenciales redox son modificados por la acción de diferentes valores de pH, cómo las constantes de disociación son afectadas por la presencia de una reacción de precipitación, cómo la constante de precipitación es modifi­ cada por la presencia de un ligando o acomplejante, etcétera.

Queda, como en el ajedrez, aprender y ejercitar las reglas del juego y, cuando se conocen bien dichas reglas y las posibi­ lidades de cada pieza, el número de jugadas es casi infinito.

Queda también analizarlas y valorarlas para una aplicación concreta.

Así, en la nueva Química Analítica (propuesta por el pro­ fesor Charlot) se pueden estudiar miles de reacciones, prime­ ro prediciendo su posibilidad, calculando su constante de equilibrio, su cuantitatividad, y la concentración de produc­ tos, reactivos y especies secundarias al equilibrio, así como las combinaciones de los diferentes tipos de equilibrios cuando es necesario. La aplicación de este enfoque de las reacciones y equilibrios químicos en disolución permite no sólo la com­ prensión de los métodos de análisis existentes y el desarrollo de nuevos métodos, sino también la comprensión de diversos procesos empleados en la industria química.

Por lo tanto, los estudiantes que gustan de razonar y no gustan del empirismo, que desean instruirse y comprender los conceptos y ver sus posibilidades, disponen de argumentos para arriesgarse a planear y discutir sus propuestas. ¿Acaso no es más deseable formar estudiantes con un espíritu más pro­ fundo y propositivo que estudiantes con un espíritu dócil, li­ mitado y listo para almacenar conocimientos?

Con los mismos modelos y esquemas se puede ampliar el campo de acción de la Química Analítica: así en el estudio de las reacciones electrolíticas se definieron los parámetros que permiten predecir, provocar o impedir una reacción y se llegó a sistematizar los métodos electroquímicos de análisis, logran­ do presentar en forma lógica las titulaciones potenciomé­tricas y amperométricas, y los métodos de análisis polarográficos. educación química •

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Esta sistematización se aplica también a la electroquí­mica preparativa, particularmente en las sales fundidas y a la elec­ troquímica orgánica.

Otra área beneficiada fue el estudio de reacciones en dis­ tintos disolventes. Así como se construyen y emplean escalas para predecir reacciones en medio acuoso se construyen y emplean igualmente para elaborar escalas de acidez o de po­ tenciales que permiten predecir las reacciones en medios no acuosos: disolventes orgánicos, mezclas de disolventes y sales fundidas.

Estos estudios también se aplicaron a la cromatografía en fase líquida y sobre todo para procesos industriales de separa­ ción en tierras raras, extracción de galio, germanio, uranio, plutonio, la refinación electrolítica de varios metales (Rojas, 1990) y el estudio exhaustivo de procesos electroquímicos industriales para mejorar su rendimiento.

Según Rosset (1994) el Profesor Charlot defendió toda su vida que la formación en Química Analítica permitía ir mu­ cho más lejos que la realización de un método de análisis que, por muy validado y preciso que fuera, queda en el ámbito del análisis químico. El prestigio de los métodos de enseñanza propuestos por el Profesor Charlot se ganó, sobre todo, por sus desarrollos al aplicarse a la Química Industrial.

Paralelismos entre el constructivismo y la enseñanza de la Química Analítica propuesta por el Profesor Charlot A continuación se presenta un análisis de algunos de los pun­ tos que permiten afirmar que la propuesta didáctica del Pro­ fesor Charlot para la enseñanza de la Química Analítica es fundamentalmente constructivista. El ejemplo considerado está relacionado con los conceptos de ácidos fuertes o débiles en el modelo de Brønsted y Lowry.

En la tabla 1 se establecen algunos paralelismos acerca de algunas afirmaciones, según la orientación constructivista for­ mulada por Driver (1986), y la enseñanza de la Química Ana­ lítica que desarrolló el profesor Charlot desde los años 40 (1940).

Con la finalidad de ejemplificar algunas de las afirmaciones que se hacen en la tabla 1, se puede considerar la reacción del ácido clorhídrico con hidróxido de sodio.

Con los conocimientos previos el alumno representaría la reacción de la siguiente forma HCl + NaOH = H2O + NaCl

(1)

Cuando se tiene el HCl en agua (antes de adicionar NaOH), ¿cuál es el pH de la solución? y ¿cómo se calcula?

Tabla 1. Paralelismos entre las propuestas de Driver (constructivismo) y Charlot (para al enseñanza de la Química Analítica).

Driver (1986)

Charlot (1940, 1943, 1957, 1971)

Los estudiantes tienen ya sus propias ideas explicativas respecto a los fenómenos físicos y químicos antes de empezar a estudiar ciencias, lo que implica encontrar las ideas anteriores del alumno y determinar las relaciones necesarias entre lo que se va a enseñar y lo que sabe el alumno.

El alumno debe ser el protagonista de su propio aprendizaje y esto se manifiesta en su toma de conciencia de la existencia de un conflicto cogniti­ vo y confrontar el cambio conceptual.

Ejemplifica las reacciones con especies químicas conocidas por los alumnos, como son los iones Fe2+ o Sn2+, o con moléculas, tales como el ácido acético o el amonía­ co. También parte de conocimientos estudiados por ellos en Química General, tales como las concentraciones molares y el equilibrio químico en disolución.

De esta manera recurre al conocimiento previo de los alumnos en el tema e inicia una exploración general de los conceptos que manejan.

Inicia los cuestionamientos proponiendo, por ejemplo: —Cuando se introducen moléculas en el agua, ¿qué sucede con ellas?

—¿Qué sucede cuando sustancias iónicas, como el NaCl, se disuelven en el agua?

—¿Qué sucede cuando sustancias no iónicas, como el azúcar, se disuelven en el agua?

—¿Cuál es el papel del disolvente en la disolución de las sustancias?

—¿Cómo se representan las reacciones que suceden en solución acuosa?

—¿Cómo saber si una reacción ocurre mucho, poco o nada?

—¿Puede haber sistemas donde ocurran varias reacciones simultáneamente?

El cambio conceptual nunca se produce desde una situación en la cual un fenómeno tiene sentido, hacia otra que no lo tenga. Una nueva teoría se formará por reestructuración de la teoría previa y deberá superarla en cuanto a las posibilidades que ofrece de establecer nuevas y mejores relaciones entre ideas.

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Este tipo de preguntas enfrentan al alumno a sus conocimientos previos que no resuelven cualquier situación, puesto que en este caso saben que el cloruro de sodio se disuelve en iones en solución acuosa, y que el azúcar no, pero las reaccio­ nes que ellos están acostumbrados a escribir siempre se representan en forma no iónica, por lo tanto no siempre corresponde su modelo a la situación real. Esto provoca que el alumno entre en crisis y sea perceptivo para construir, con el tiempo, explicaciones alternativas y conceptos nuevos que incluya en su saber para explicar las nuevas situaciones a las cuales se enfrenta.

Propone un modelo de Brønsted generalizado (Donador/Anfolitos/Receptor/ Partícula) para las reacciones en disolución, con equilibrios químicos en solución acuosa considerando la ionización y el intercambio de partículas. Extiende y generaliza el concepto de dismutación, lo que permite predecir la estabilidad y el predominio de los anfolitos. Recuerda que la termodinámica ofrece la información necesaria de las constantes de equilibrio para calcular las concentraciones al equilibrio de todas las especies en solución (iónicas o no iónicas). Éstos son algunos de los cambios conceptuales que ofrecen al alumno las herra­ mientas para resolver los cuestionamientos previos.

didáctica de la química

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Se tiene que partir de la representación iónica de las espe­ cies en solución, ya que es la concentración de ión hidronio, [H+], la que permite calcular el pH. Sin embargo, como son electrolitos, una representación más adecuada de la realidad en solución acuosa sería: H+ + OH– = H2O

(2)

En esta representación no aparecen explícitamente el Na y el Cl– (ya que estarían en ambos miembros de la ecuación química) porque son iones indiferentes o espectadores que no tienen ninguna participación en la reacción y, por lo tanto, no tiene caso escribirlos. Es así que la ecuación (2) represen­ taría a todas aquellas reacciones en las que se tiene un ácido y una base que son electrolitos fuertes; por ejemplo, el ácido nítrico o el ácido perclórico con el hidróxido de litio o el hi­ dróxido de potasio, entre otras posibilidades, ya que todos ellos pueden considerarse como ácidos o bases fuertes en disoluciones acuosas relativamente concentradas (del orden de 1 M).

Cuando se trata de ácidos débiles o poco disociados la con­ centración de la molécula de ácido no corresponde a la con­ centración de H+ en solución. Por lo tanto, el pH no se puede calcular directamente a partir de la concentración del ácido sino que depende del porcentaje de disociación del ácido.

Para resolver el problema del progreso de la reacción se tienen que analizar los equilibrios iónicos de los sistemas en solución acuosa. Por ejemplo, ¿qué tanto se ioniza el ácido acético en agua? Para contestar esta pregunta se recurre a la termodinámica y en la literatura se busca el valor de la cons­ tante de acidez de este equilibrio a la temperatura y a la fuerza iónica adecuadas (25°C y 0.1 M, por ejemplo). Posteriormen­ te se establece la condición de equilibrio, que en el método del Profesor Charlot implica el establecimiento de la tabla de concentraciones molares en el equilibrio, que se muestra a continuación: +

ch3cooh + h2o ch3coo– + h3o+ inicio Co equilibrio Co(1 – α) αCo αCO α2Co­ Ka = 10–4.76 = 1 – α Si se considera una concentración inicial Co = 0.1M, al equilibrio se tendría que Co(1 – α) = 0.0987M y αCo = 0.0013M. Si se calcula ahora la fracción disociada en esa diso­ lución acuosa se tendría un porcentaje de disociación de 1.3%.

Lo que en general se sabe del ácido acético es que es un ácido que se disocia poco, si arbitrariamente se considera que me­ nos de un 3% o un 5% corresponde a un porcentaje de diso­ ciación pequeña.

Si ahora se considera una concentración inicial Co = 0.0005M, al equilibrio se tendría Co(1α) = 0.00042 y αCo = 0.00008. Calculando ahora la fracción disociada se tendría un porcentaje de disociación de 17%, lo que indica que está bastante más ionizado que a una concentración ini­ cial mayor. Esto lleva a concluir que el avance del proceso de ionización depende de la concentración inicial y no sólo del valor de la constante de acidez Ka. Aunque establecida por Ostwald en el siglo XIX y retomada por Charlot hacia 1940, esta conclusión no se establece en muchos libros actuales, que la ignoran o no le dan la importancia que merece. Conociendo la fracción ionizada se puede calcular el pH con mayor rigor.

Sin embargo, ni la propuesta de Driver ni la del Profesor Charlot terminan en la tabla 1, ejemplificadas en el ejemplo anterior. El aprendizaje debe trascender y llevar al estudiante a proponer respuestas y soluciones a nuevas situaciones y pro­ blemas, basado en la estructuración del conocimiento que ha logrado en las fases anteriores del aprendizaje.

Es por eso que en la tabla 2 se presenta un paralelismo, que hemos calificado de trascendente, entre las propuestas de Dri­ ver y de Charlot.

Los ejemplos anteriores permiten ver algunas de las analo­ gías entre el constructivismo y el método didáctico del Profe­

Tabla 2. Paralelismo trascendente entre la propuesta de Driver y el modelo de enseñanza de la Química Analítica del Profesor Charlot.

Driver (1986) Charlot (1940, 1943, 1957, 1971)

Encontrar los significados y conceptos que haya generado el que aprende, ya que a partir de ellos se van a determinar las formas en que él mismo construya nuevos significados y conceptos que le sean de utilidad.

196

didáctica de la química

Como se mostró al final del punto anterior, en este sistema de enseñanza el alumno aprende a distinguir entre un ácido fuerte y un ácido débil, y a aplicar las simplificaciones que se requieren en cada caso para calcular el pH en cada punto de una valoración, lo cual, posteriormente, le permite interpretar las curvas obtenidas potenciométricamente.

Pero no sólo eso, también se le enseña a utilizar las constantes de equilibrio para cualquier reacción, lo que le permitirá conocer la cuantitatividad de cada una de ellas y disponer de este dato para seleccionar una reacción de acuerdo con su aplicación analítica o industrial, o bien para modificarla, cambiando los reactivos, indicadores, instrumentos, etc., de acuerdo con cada caso particular.

A partir de la comprobación y por lo tanto de la concordancia entre los resultados experi­ mentales y los datos calculados con la teoría el estudiante aprende a predecir el comporta­ miento de los sistemas y a simular las propiedades fisicoquímicas de los sistemas reaccio­ nantes en disolución, así como las valoraciones de nuevos compuestos químicos a partir de algunas propiedades fisicoquímicas fundamentales, tales como factores de respuesta y constantes de equilibrio. Esto puede llegar aun al caso en que los esquemas de reacción y métodos desarrollados para explicar el comportamiento de las soluciones acuosas se extrapole a otros disolventes, como el etanol, el dimetilsulfóxido y el acetonitrilo. educación química •

abril de 2009

Tabla 3. Resumen de las analogías entre el constructivismo y el modelo de enseñanza de la Química Analítica propuesto por el Profesor Charlot.

La orientación constructivista formulada por Driver (1986)

El modelo propuesto por el Profesor Charlot (1940, 1943, 1957, 1971)

El aprendizaje es una actividad mental del que aprende construyendo formas propias de ver y explicar el mundo. El aprendizaje activo de significados supone una secuencia de situaciones de equilibrio y de desequilibrio o de conflicto cognitivo.

Hallar los puntos de vista alternativos del alumno y proveerle de material, de tal forma que quede estimulado para reconsiderar o modificar tales puntos de vista y pueda encontrar sentido para establecer relaciones.

El cambio conceptual nunca se produce desde una situación en la cual un fenómeno tiene sentido, hacia otra que no lo tenga.

Una nueva teoría se formará por reestructuración de la teoría previa y deberá superarla en cuanto a las posibilidades que ofrece de establecer nuevas y mejores relaciones entre ideas.

Encontrar los significados y conceptos que haya generado el que aprende, ya que a partir de ellos se van a determinar las formas de que él mismo genere nuevos significados y conceptos que le sean de utilidad.

El estudiante tiene que apropiarse significativamente de los nuevos conceptos para poder seguir con las “reglas del juego”, para lo cual se le proporcionan las condiciones, las reglas y las constantes con las cuales debe predecir y cuantificar las reacciones y seleccionar las que son apropiadas para la determinación que requiere.

Las clases teóricas van acompañadas de experiencias de cátedra y de prácticas cualitativas. Las escalas para predecir la posibilidad de una reacción y el cálculo de constantes de equilibrio proporcionan al estudiante argumentos para un cambio conceptual.

El alumno puede cambiar una forma de aprendizaje o una teoría por otra que le proporcione argumentos y datos para ampliar sus conocimientos o explicar el porqué de las indicaciones de ciertos métodos o recetas.

sor Charlot para la enseñanza de la Química Analítica. Algu­ nos aspectos más generales de estas analogías se resumen en la tabla 3. Cabe aclarar que estas analogías pueden ser ilustra­ das con muchos más ejemplos que se encuentran conforme el modelo avanza en variedad (sistemas redox, de complejación, de precipitación y de reparto entre fases) y complejidad de los casos (intercambio simultáneo de varias partículas en sis­ temas multifásicos).

Conclusiones La metodología propuesta por el Profesor Charlot en la déca­ da de los años 40 del siglo XX, como se ha discutido en este trabajo, fue revolucionaria, en tanto que pretendía que los estudiantes desarrollaran habilidades del pensamiento que les permitieran proponer soluciones a problemas de análisis quí­ mico o mejoras a procesos industriales, más que la aplicación de técnicas y métodos conocidos a problemas concretos de análisis químico. Pensamos que los paralelismos ilustrados en el trabajo entre esta metodología de enseñanza de la Química Analítica y el constructivismo hayan sido suficientes para de­ mostrar el porqué muchos pensamos que el Profesor Charlot, sin querer y sin saberlo, fue precursor en la aplicación del constructivismo en la didáctica de las ciencias.

Agradecimiento Los autores queremos agradecer a los árbitros por sus comen­ tarios al presente artículo.

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• educación química

Se parte de un sistema muy sencillo y de unas reglas que permiten seleccionar los cálculos y procedimientos para aplicarlos a nuevas tecnologías o resolver problemas a partir de la identificación de nuevos parámetros.

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didáctica de la química

197

didáctica de la química

Correlación entre mapas conceptuales y habilidad para la resolución de problemas en la unidad de Equilibrio Iónico en la asignatura de Química General Manuel Martínez M,1 Alejandra Espinoza F.

Abstract (Correlationship between concept maps and problem solving skills in the Ionic Equilibrium unit of a General Chemistry course) Concepts and their relationships are the basis of knowledge. Concept maps are representations of concepts and links among them, which provide an image of how key concepts, that are present in the cognitive structure of an individual, are organized for a given specific content or unit. An organized conceptual structure ought to facilitate problem solving and other cognitive activities, and it is assumed that successful students are able to develop related concept structures highly elaborated and integrated. Considering that the unit of Ionic Equilibrium, traditionally included in General Chemistry courses at the university level, presents difficulties to our learners we decided to evaluate the relationship between concept maps developed by the students and problem solving skills in the unit, implemented in an active and cooperative learning environment.

From the qualitative point of view, concept maps were useful to determine the vision of the students in this specific area of study, allowing us to explicit the relationship that they establish between concepts, linking those that seemed dispersed. They also allowed us to detect concepts that were not developed properly in classes, to appreciate lacks in the concepts network and conceptual errors. Also, by means of the relationships that the students established among concepts presented in the maps, we could appreciate the students mastery level of the specific content and the gaps among concepts considered important by the teachers, and ignored by the students. However, even though concept maps are considered an strategy to improve the teaching-learning process, at least the authors can say that there was no correlation between problem solving skills in the unit of Ionic Equilibrium and concept maps developed by the students.

KEYWORDS: concept maps, problem resolution, problem solving skills Introducción En este trabajo, los autores desean relacionar dos temas: el desarrollo de mapas conceptuales por parte de los alumnos en la unidad de equilibrio iónico, y su habilidad para resolver problemas en esa unidad. Para poder desarrollar este trabajo, primero se da a conocer brevemente el marco teórico que fundamenta el uso de los mapas conceptuales, y luego la habilidad para resolver problemas desarrollada en un ambiente activo y cooperativo en la sala de clases.

Los mapas conceptuales El modelo cognitivista ha influenciado el área enseñanzaaprendizaje dando origen al denominado modelo constructi-

Facultad de Química y Biología. Universidad de Santiago de Chile. Casilla 40-33; Santiago de Chile.

Correo electrónico autor principal: manuel.martinez@usach.cl Recibido: 16 de diciembre 2007; aceptado: 29 de mayo 2008

vista, el cual está centrado en la importancia del significado construido por las personas en sus intentos de dar sentido al mundo, lo cual es visto como algo dependiente no sólo de la situación en sí misma, sino también de los propósitos y los procesos de construcción activa del significado por parte de la persona.

De acuerdo con Coll (1990), las ideas fundamentales del constructivismo son: a. El estudiante es el responsable último de su propio proceso de aprendizaje. b. La actividad mental constructiva del alumno se aplica a contenidos que ya poseen un grado considerable de elaboración. c. La función del docente es engarzar los procesos de construcción del alumno con el saber colectivo culturalmente organizado.

1

198

didáctica de la química

Entre los exponentes más destacados del constructivismo se menciona a Lev S. Vigotsky (2000) autor del concepto de la zona de desarrollo próximo y David P. Ausubel, autor de la educación química •

abril de 2009

teoría del aprendizaje significativo. Esta última teoría pone énfasis en lo que ocurre en el aula cuando los estudiantes aprenden; en la naturaleza del aprendizaje; en las condiciones que se requieren para que éste se produzca; en sus resultados y, consecuentemente en su evaluación (Ausubel et al.,1976).

El aprendizaje significativo es un proceso a través del cual nueva información se relaciona de manera no arbitraria y no literal, con un aspecto relevante de la estructura cognitiva del individuo. En este proceso la nueva información interacciona con una estructura de conocimiento específica denominada “concepto subsumidor (o ideas que sirven de anclaje)”, ya existente en la estructura cognitiva de quien aprende. A través de la interacción, la nueva información adquiere significado y se integra a la estructura cognitiva, contribuyendo al mismo tiempo a la diferenciación, elaboración y estabilidad de los subsumidores existentes y, en consecuencia, de la propia estructura cognitiva. La estructura cognitiva está así constantemente reestructurándose durante el aprendizaje significativo.

El proceso es dinámico, y por lo tanto el conocimiento va siendo construido permanentemente.

Según Moreira (2000) es Joseph Novak, colaborador de Ausubel por muchos años, quien ha interpretado, refinado y utilizado la teoría del aprendizaje significativo como referente para la investigación educativa y la organización de la enseñanza. Ha dedicado gran parte de su trabajo y de su teoría al concepto de aprendizaje significativo y a la facilitación de ese aprendizaje. Uno de sus aportes y el más reconocido, es el desarrollo de la herramienta gráfica para organizar y representar el conocimiento denominada mapa conceptual.

Un mapa conceptual es un recurso esquemático para representar un conjunto de significados conceptuales incluidos en una estructura de proposiciones, que tiene por objeto representar las relaciones significativas entre los conceptos de un contenido y el conocimiento del sujeto (Novak, 1997). Por lo tanto, constituye una representación explícita y manifiesta de los conceptos y proposiciones que posee una persona. En su forma más simple, un mapa conceptual constaría tan sólo de dos conceptos unidos por una palabra de enlace.

Los elementos fundamentales de un mapa conceptual (ver más detalles en el artículo de Montagut et al., 2007, publicado en esta revista) son: • Conceptos: Es la regularidad en los acontecimientos o en los objetos que se designa mediante algún término. Generalmente se les escribe encerrados en círculos, elipses o rectángulos.

• Palabras o frases de enlace: Son escritas sobre la línea de enlace, para indicar la relación que existe entre dos conceptos.

• Proposiciones: Una proposición consta de dos o más términos conceptuales unidos por palabras o frases de enlace para formar una afirmación con significado. Algunas veces son llamadas unidades semánticas o unidades de significado.

• Líneas de enlace: Son las líneas conectivas que se utilizan para enlazar o unir los conceptos abril de 2009

• educación química

Se considera que los mapas conceptuales entregan una “imagen” de cómo los conceptos clave están organizados/estructurados en la mente de los estudiantes en un contenido específico y son jerárquicos (Novak, 1997). Esto significa que las características de la representación estructural observada, describen gráficamente un aspecto importante de la estructura fundamental del conocimiento del estudiante, para lo cual se les solicita enlazar pares de conceptos en un dado dominio del conocimiento y rotular los enlaces con una breve explicación acerca de cómo se relacionan éstos. Otra característica importante de los mapas es la inclusión de los enlaces cruzados, que son relaciones entre conceptos de diferentes segmentos o dominios del mapa conceptual.

Los mapas conceptuales han sido utilizados para evaluar las estructuras del conocimiento de los estudiantes, especialmente en ciencias. La investigación muestra que la comprensión de un contenido está asociada a un rico grupo de relaciones entre conceptos importantes. Los estudiantes exitosos desarrollan estructuras de conceptos relacionados, elaboradas y altamente integradas (Mintzes et al. 1997), tal como los expertos lo hacen (Chi et al., 1988; Glaser, 1991). Además, se sabe que las estructuras altamente organizadas facilitan la resolución de problemas y otras actividades cognitivas, por ejemplo generando explicaciones, o reconociendo rápidamente patrones significativos (Mintzes et al. 1997, Baxter et al. 1996). La investigación ha mostrado que la diferencia en el desempeño entre expertos y novatos se debe, mayoritariamente, a cómo está estructurado el conocimiento en sus memorias (Chi et al., 1988; Glaser, 1991).

Ruiz-Primo y Shavelson (1996) han caracterizado las evaluaciones de mapas de conceptos por: (a) una tarea que invita a los estudiantes a entregar evidencia relevante respecto de su estructura de conocimiento en un contenido específico; (b) un formato para las respuestas de los estudiantes, y (c) un sistema de puntaje a través del cual el mapa de conceptos del estudiante pueda ser acuciosa y consistentemente evaluado.

Sin estos tres componentes, un mapa de conceptos no puede ser considerado como una herramienta de medición.

Esta caracterización ha hecho evidente a Ruiz-Primo y colaboradores (1996, 1997), la enorme variación en las técnicas de mapeo de conceptos utilizadas en la investigación y la práctica. Esta variación surge de las diferencias en la naturaleza de las tareas de mapeo, las características de los formatos de respuesta, y las características de los sistemas de puntaje.

Según estos investigadores, es muy probable que con las diferentes técnicas de mapeo se puedan extraer diferentes aspectos de la estructura de conocimiento. Por ejemplo, una dimensión en que la tarea puede variar es la restricción que se impone sobre los estudiantes para representar su comprensión relacionada al contenido. Ruiz-Primo y colaboradores (2000) han llamado a esta dimensión “direccionalidad” y han caracterizado las técnicas de mapas de conceptos según su grado de direccionalidad.

En el extremo izquierdo del continuo, las técnicas de mapeo son de alta direccionalidad: los estudiantes no seleccionan didáctica de la química

199

Alto

Conceptos Líneas de Enlace Palabras de Enlace Estructura del Mapa

Grado de Direccionalidad

asssssssssssssd

Bajo

Provistos por el Profesor Provistas por el Profesor Provistas por el Profesor Provista por el Profesor

Provistos por el estudiante Provistas por el estudiante Provistas por el estudiante Provista por el estudiante

(Fuente: Ruiz-Primo, On the use of Concept Maps as an Assessment Tool, 2000.)

Figura 1. Grado de direccionalidad en las tareas de evaluación de mapas de conceptos.

los conceptos a utilizar en el mapa, cuáles conceptos conectan, las palabras para explicar la relación entre conceptos, o la estructura del mapa. Los estudiantes llenan en un esqueleto de mapa, como lo proponen Schau & Mattern (1997), las áreas que han sido dejadas en blanco con la información que les ha sido entregada (con conceptos o palabras de enlace).

Usualmente se entrega a los estudiantes las palabras de enlace en el esqueleto del mapa y ellos sólo deben seleccionar los conceptos a partir de una lista, con lo cual podría verse afectada la visión real de la estructura de conocimiento En el extremo derecho del continuo, las técnicas de mapeo son de baja direccionalidad: los estudiantes deciden por sí mismos cuáles y cuántos conceptos incluyen en sus mapas, cuáles conceptos están relacionados y cuáles palabras utilizar para explicar la relación entre conceptos.

Ruiz- Primo & Shavelson (1996) estiman que las demandas impuestas en la tarea a los estudiantes son diferentes con las técnicas de mapeo de alta direccionalidad (del tipo, llene en el mapa) o baja direccionalidad (del tipo, construya un mapa), ya que con una técnica de baja direccionalidad los estudiantes necesitan tomar decisiones más informadas, y las demandas cognitivas que se requieren parecen ser más elevadas que las que se necesitan con una técnica de alta direccionalidad. Ellos indican que la construcción de un mapa de conceptos, sin que se entregue ninguna información al estudiante, debiera ser la técnica estándar debido a dos razones: 1) Las estructuras de los mapas de los estudiantes reflejan de forma más directa sus estructuras de conocimiento; en la medida que el conocimiento de los estudiantes aumenta en una materia específica, la estructura de los mapas de conceptos debería reflejar este incremento en el dominio, tal como sucede con los expertos. 2) Solicitar a los estudiantes que determinen los conceptos para construir un mapa entrega información de buena calidad respecto de su conocimiento en un contenido en particular. Sin embargo, consideran que una completa apertura en la tarea no es deseable en la práctica debido a problemas que pudieran presentarse en la comparación y asignación de puntajes a los mapas.

200

didáctica de la química

Resolución de problemas en un ambiente activo y cooperativo La enseñanza de la unidad de Equilibrio Iónico se hizo utilizando como estrategia de aprendizaje la denominada clase cooperativa, cuyas ventajas fueron ampliamente descritas en un artículo publicado en esta revista, del cual el autor principal de este artículo fue coautor (Balocchi et al., 2005). Allí se incluye, además, un detallado análisis de las referencias bibliográficas más fundamentales sobre el tema, por lo cual se remite a los lectores a ese artículo. En lo medular, se establece que esta estrategia aplicada en el salón de clase conduce a mayores logros de aprendizaje, crecimiento en las actitudes positivas hacia el tema estudiado, más alta autoestima, mejor aceptación de las diferencias existentes entre pares y elevado desarrollo conceptual en una amplia gama de situaciones y a lo largo de áreas diversas de contenido. Esta estrategia se sigue aplicando, incluso en cursos numerosos con resultados en rendimiento superiores a los obtenidos en la denominada clase tradicional o tipo conferencia (Lyon y Lagowsky, 2008).

Anteriormente, los autores de este trabajo dieron a conocer los resultados obtenidos en el análisis de mapas conceptuales para la unidad de equilibrio iónico, en la asignatura de Química General, utilizando la técnica de construcción de mapas de baja direccionalidad desarrollados en forma individual, ya que se estimó que se obtendría una mayor cantidad de información, respecto del grado de dominio de los alumnos en la unidad antes mencionada (Martínez y Espinoza, 2008).

En el presente trabajo se continúa esta línea, analizando como hipótesis que aquellos alumnos que realizan mapas conceptuales más complejos, tendrán alto rendimiento en la resolución de problemas de química, en la unidad de Equilibrio Iónico, incluida tradicionalmente en los cursos de Química General.

Procedimiento experimental Las clases teóricas —de Química General— fueron desarrolladas por el profesor titular de la asignatura, que es el autor principal de este trabajo, utilizando como método de enseeducación química •

abril de 2009

ñanza el sistema denominado con el acróstico MART, que resume las siguientes actividades: primero, el profesor aporta la Motivación por el estudio de la unidad, señalando su importancia y recurriendo a experiencias de los propios alumnos de modo de poder enseñar en un contexto conocido; luego se Analizan los conceptos más importantes de la unidad, partiendo desde lo más simple a lo más complejo. Para ello, se utilizan las clásicas presentaciones en Microsoft PowerPoint, disponibles para los docentes según los textos guías (en nuestro caso, los capítulos 15 y 16 del texto de Raymond Chang, Química, McGraw-Hill, 7ª ed., México, 2003). Posteriormente el profesor Resuelve problemas-tipo de cada subunidad, tras lo cual se inicia la resolución de problemas en un ambiente activo cooperativo, con guías que se desarrollan en forma grupal y otras en forma individual, seguidas de una evaluación en grupo y otra individual, y finalmente se incentiva la Transferencia del aprendizaje a situaciones nuevas, resolviendo problemas no analizados previamente.

Dentro de este marco de aprendizaje, en donde se estimula la internalización de conceptos, y se promueve el desarrollo cognitivo a través del trabajo activo entre pares en el aula (cuyas ventajas fueron descritas en el artículo ya mencionado de Balocchi et al., 2005), se consideró válido recurrir a la utilización de mapas conceptuales de construcción, como un método para estimular el aprendizaje significativo en el área de Equilibrio Iónico, para lo cual se procedió según se describe a continuación: Finalizado el tratamiento de cada sub-unidad de Equilibrio Iónico, durante las clases de ejercicios programadas para la asignatura, el profesor procedió a la paulatina introducción sobre las formas de construir los mapas conceptuales y se les entregó un instructivo destinado a reforzar y/o clarificar el método de construcción de mapas conceptuales. Luego, se procedió a la construcción de los mapas con carácter de trabajo individual, para lo cual los alumnos contaron sólo con una hoja de papel y un lápiz. Se destinó una sesión de clases de 90 minutos para esta tarea. Los autores no usaron la técnica descrita por Montagut en esta revista (2007) de elaboración de mapas individuales o grupales, según preferencia, pero sí que los mapas fuesen hechos después de haberse abordado el tema en clases.

Se trabajó con una muestra de 24 alumnos, que decidieron trabajar voluntariamente, de un total de 30 que cursaban la asignatura de Química General, todos ellos estudiantes de la carrera de Bioquímica, impartida por la Facultad de Química y Biología de la Universidad de Santiago de Chile.

Luego de obtener los mapas, y para determinar la relación establecida por los alumnos entre los conceptos, se procedió a su evaluación. Se utilizó la técnica de contabilización de conceptos, la jerarquización y complejidad de los mapas. Durante el análisis de los mapas se vio la necesidad de clarificar el uso y relación de algunos conceptos, por lo cual se aplicó una encuesta de decodificación de los mismos. Luego del análisis cualitativo y cuantitativo de las encuestas, se determinó la necesidad de revisión de conceptos en los apuntes de clases y los abril de 2009

• educación química

libros de texto de los alumnos, para comparar y extraer conclusiones de sus respuestas. La misma muestra de alumnos que trabajó en la elaboración de los mapas, participó en la aplicación de la encuesta de decodificación. Los mapas de los alumnos se clasificaron en mapas complejos, de mediana complejidad y de baja complejidad. Una vez finalizada esta tarea, se decidió comparar el grado de complejidad de los mapas conceptuales con las calificaciones obtenida en la Prueba Especifica Programada para la unidad (denominada PEP 1), a fin de determinar si existía algún grado de relación entre ambos.

La Prueba Específica Programada (PEP 1) incluía 4 preguntas abiertas. La primera requería calcular el pH de cinco soluciones: una de NaHSO4 0.1 M y otras cuatro preparadas por neutralización total o parcial de diversas soluciones de bases mono o polipróticas con HCl de diversas concentraciones. La segunda, calcular el pH final de una solución neutralizadora del pH (buffer) a la cual se le agrega un ácido o una base fuerte monoprótico. La tercera, calcular la concentración de todas las especies presentes en una solución obtenida por reacción de NH3 con exceso de HCl. La cuarta, preguntaba sobre aplicaciones de la constante de producto de solubilidad a precipitación selectiva (ver la prueba en Anexo).

Paralelamente, se solicitó a dos profesores de Química de la Facultad, la generación de mapas conceptuales en el área de Equilibrio Iónico, según su experticia, los cuales sirvieron para corroborar el número de conceptos y la estructura conceptual relacionada a la unidad, que utilizan los expertos en el tema.

Resultados En la tabla 1 se presenta el número de conceptos mencionados por cada alumno participante en este estudio, del total establecido por los autores.

En la tabla 2 se presenta el grado de complejidad de los mapas conceptuales según la clasificación de los autores, en función de las notas obtenidas en la Prueba Específica Programada (denominada PEP1) para la unidad de Equilibrio Iónico. La escala de notas va de 1.0 a 7.0, siendo la nota 4.0 la mínima para aprobación.

La figura 2 muestra el número de conceptos totales de cada alumno, versus la nota obtenida en la PEP 1, en la escala de 1 a 7, para la unidad de Equilibrio Iónico y el índice de correlación entre ellos.

La figura 3 muestra sólo con carácter referencial, el impacto del método MART aplicado en un ambiente activo cooperativo utilizado en las clases teóricas de la Unidad de Equilibrio Iónico, considerando el total de alumnos que cursó la asignatura (30 alumnos), de los cuales 24 construyeron los mapas. Los rendimientos observados son satisfactorios, siendo el promedio de 5.1.

Análisis y discusión de los resultados Tras el análisis de los textos utilizados y la opinión de expertos (dos profesores independientes más los dos autores de este trabajo), se consideró que como muestra de dominio de la unidad de equilibrio iónico debería manifestarse la presendidáctica de la química

201

Alumnos/Presencia Conceptos

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Suma % Pr

Equilibrio Iónico

1 1 1 1

1 1 1

1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

18 75

Equilibrio Homogéneo

2 1

1 1

1

1 1

1

1 1 1 1 1 1 1 1

15 63

Electrolitos

3

1

1

1

1 4 17

Ionización

4

1

1

2 8

Disociación

5 1 1 1

1 1

1 1 1

1

1 1

1

1

13 54

Acido (s)

6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

22 92

Acido Arrhenius

7 1

1

1

1 1

1

6 25

Acido Brönsted 8 1 1

1

1

1 1

1 1

8 33

Acido Monóprotico 9

1

1

1

1 1

1 6 25

Acido Poliprótico 10 1

1

1

1

1

1 1

1 8 33

Acido Fuerte 11 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 22 92

Acido Débil 12 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 22 92

13 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

1 1 1

20 83

Ka

Tabla 1. Presencia de conceptos por alumno por mapa conceptual.

14

1

1 4

Concentración Analítica

didáctica de la química 15

1

1 1 1 1 1 1

1

1

9 38

Kw

202

educación química •

abril de 2009

Escala de pH 16

1

1 1

1 1 1

1

1 8 33

Titulación 17

1 1 1 1

1 1 1

1

1

1 1

11 46

Neutralización 18

1

1 1

1 1

1

1 1 1

9 38

Curva de Titulación 19

1

1 1

1

1

1

6 25

Punto de Equivalencia 20 1 1

1 1

1 1

1

1

1

9 38

Indicador 21 1 1 1 1

1 1 1

1

1

9 38

Base (s) 22 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

22 92

Base Arrhenius 23 1

1

1

1 1

1

6 25

Base Brönsted 24 1 1

1

1

1 1

1 1

8 33

Base Monoprótica 25

0 0

Base Poliprótica 26

0 0

Base Fuerte 27 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 22 92

Base Débil 28 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 22 92

Kb 29 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

1 1 1

20 83

Solución Amortiguadora 30 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 23 96

Capacidad Amortiguadora 31

1

1

1 1

1

1

6 25

Ecuación H-H 32

1

1

1 1

1

1 1

1

8 33

Sales Solubles 33 1

1 1

1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 18 75

Equilibrio Heterogéneo 34 1

1 1

1

1 1

1

1 1 1 1 1 1 1 1

15 63

Sales Poco Solubles 35 1

1

1

1 1 1 1

1

1 1

1 1 1

1

14 58

Cte. Prod. Solubilidad (Kps) 36 1

1 1

1

1 1 1 1

1

1 1 1 1 1

1

15 63

Efecto Ión Común 37

0 0

Precipitación Selectiva 38

1

1

1

1

4 17

N° de Conceptos Totales

23 16 23 19 15 20 15 21 22 21 14 21 14 19 11 16 16 22 21 14 19 20 19 10

Conceptos Eq. Homogéneo

20 16 19 17 15 16 15 21 18 18 12 18 14 17 11 14 13 20 18 11 15 19 16 10

3 0 4 2 0 4 0 0 4 3 2 3 0 2 0 2 3 2 3 3 4 1 3 0

Conceptos Eq. Heterogéneo

Tabla 2. Clasificación de los Mapas por Complejidad según Rango de Notas

Calificación PEP1

Número de mapas

6a7

10

5 a 5,9

8

4 a 4,9

2

3 a 3,9

3

2 a 2,9

1

Complejidad C MC BC C MC BC C MC BC C MC BC C MC

6 2 2 0 6 2 2 0 0 0 3 0 0 0

BC

1

% del total 60% 20% 20% 75% 25% 100%

100%

100%

cia de 38 conceptos, 33 correspondientes al área de equilibrio homogéneo y los cinco restantes, al área de equilibrio heterogéneo. En la muestra de 24 mapas conceptuales obtenida de los alumnos, y que fue descrita en un trabajo anterior (Martínez y Espinoza, 2007-2008), el total máximo observado fue de 23 conceptos, lo cual representa un 60,5% del máximo posible, mientras que el mínimo observado fue un total de 11 conceptos que corresponde a un 29% del máximo posible. Si se desagrega, la unidad de Equilibrio Iónico por áreas, se observó un máximo de 21 conceptos reportados por un alumno para equilibrio homogéneo y 4 para equilibrio heterogéneo, lo que significa la presencia de un 63,6% y un 80,0% respectivamente.

Como se puede observar en la tabla 1, realizada a partir del análisis de los mapas de los alumnos, existen conceptos que muestran escasa o poca presencia, como es el caso de Concentración Analítica, Ácidos y Bases Mono y Polipróticas, Electrólitos y Ionización, Titulación, Neutralización, Curva de Titulación, Punto de Equivalencia e Indicador. A partir de los resultados de la encuesta aplicada a los alumnos se desprenden las razones de la escasa o poca presencia de conceptos, de las cuales se exponen sólo algunas de ellas: — Concentración analítica: Sólo un alumno lo menciona, aunque el concepto es considerado como importante para el cálculo del pH de una solución en un 100% de las encuestas, pues se debe distinguir entre concentración analítica y concentración de cada especie en solución.

— En el caso de ácidos mono y polipróticos, un 76,5% de los alumnos olvidó diferenciarlos. Un 11,8% no lo considera necesario y otro 11,8% opina que no se diferencian porque tienen el mismo tratamiento matemático al resolver problemas. Estos argumentos podrían ser indicadores de una posible mecanización en la resolución de problemas. abril de 2009

• educación química

Figura 2. Conceptos totales por alumno vs nota en la PEP1.

— En las clases de teoría se puso un fuerte énfasis en las curvas de titulación, y el cálculo de pH en las diversas zonas por lo que llamó la atención la escasa presencia de éste y otros conceptos en los mapas. A este respecto, la mayoría de los alumnos argumenta que no recordó estos conceptos al hacer el mapa, lo cual podría ser interpretado como índice de una falla en la construcción de la estructura conceptual de los alumnos en este contenido específico.

— No se detectó la diferenciación de las bases como mono y polipróticas, lo que podría ser atribuible a la falta de asociación del concepto de base con la captación de protones, según el concepto de Lowry-Brönsted.

— En cuanto al concepto de electrólitos, un 40% de los alumnos no recordó el concepto al hacer el mapa, un 40% no lo considera necesario y un 15% no lo relaciona con ácidos y bases.

— El concepto de ionización sólo se menciona en el 8% de los mapas. Un 36% de los alumnos considera que ionización y disociación son un mismo concepto y un 32% tiene claro que ácidos y bases pueden ionizar o disociar.

Otro 20% cree que los ácidos sólo ionizan y un 12% que disocian. Al igual que en el caso de electrólitos, se cree necesario que se dedique mayor tiempo y énfasis a estos conceptos en el primer nivel de química general, para posteriormente reforzarlos en el segundo nivel. Avala

Figura 3. Clasificación de los alumnos por rango de notas. didáctica de la química

203

esta sugerencia que más del 70% de los alumnos aduce que los libros son su mayor fuente de información, y sólo en uno de ellos se encontró el tratamiento adecuado a ambos conceptos.

— La escasa presencia de otros conceptos como la constante de autoionización, Kw, y la escala de pH, es explicada por los alumnos ya sea porque el concepto está implícito en otros, como el caso de Kw, o bien porque es innecesario considerarlo en el mapa, como es el caso de la escala de pH, ya que según los alumnos está implícita, se conoce y se usa. Estas respuestas permiten apreciar la necesidad de dar mayor énfasis a todo concepto involucrado en la resolución de problemas y su indispensable manifestación explícita.

En los mapas hubo escaso desarrollo de los conceptos en el área de equilibrio heterogéneo, lo cual se explica ya que un 52% de los alumnos manifestó no tener dominio completo del tema, un 25% lo considera el área de mayor dificultad de la unidad, y un 8,3% reconoció haber dedicado su mayor esfuerzo al área de equilibrio homogéneo.

Se detectó escasa utilización de palabras de enlace en los mapas, pese a que estaban instruidos respecto de la importancia de su uso. La encuesta arrojó que un 68,8% de ellos considera que las relaciones se entienden sin ellas y un 12,5% no las cree necesarias. Estas opiniones resultan justificables, porque para quien construye un mapa es clara la relación que los conceptos mantienen entre ellos. Pero, para quien los analiza, resultan indispensables para determinar la validez de las relaciones y son el medio para detectar probables errores conceptuales.

Un 95,8% de los mapas mostró una estructura jerárquica sin que hubiese instrucción alguna para construir un mapa con dichas características, lo que permite considerar como válida la teoría del aprendizaje significativo, en cuanto a que el conocimiento se construye en torno a un concepto central más inclusivo, y que los conceptos específicos o menos inclusivos se subordinan a él. De igual modo, se observó que aunque existan mapas parecidos, se detectan diferencias entre ellos, lo que permite considerar la estructuración del conocimiento como idiosincrásica.

Complejidad de los mapas El análisis detallado de los mapas de los alumnos permitió las siguientes definiciones y estimaciones: 1. Mapas complejos: Su principal característica es una buena diferenciación de los conceptos presentes, buena discriminación de la relación entre conceptos, presencia de enlaces múltiples y en la mayoría de ellos utilización de palabras de enlace. En estos casos, puede suponerse que la complejidad de los mapas da cuenta de un buen grado de comprensión adquirida por los alumnos en el área.

2. Mapas de mediana complejidad. En relación a los mapas complejos, los mapas de mediana complejidad presentaron menor grado de diferenciación entre conceptos y de

204

didáctica de la química

las relaciones entre éstos. No se detecta la presencia de enlaces múltiples y puede o no haber utilización de palabras de enlace (no se utilizan en un 63% de los mapas medianamente complejos). En estos casos, se hace difícil estimar el grado de dominio del contenido por parte del alumno, si bien se reconoce como presente la estructura conceptual relacionada al área.

3. Mapas de baja complejidad. En los cinco casos detectados, la principal característica asociada es la presencia de conceptos más generales e inclusivos y por ende menor presencia de conceptos poco inclusivos, por lo que existió menor diferenciación de conceptos y sus relaciones. Sólo hubo utilización de palabras de enlace en dos de estos mapas. En estos casos, no puede afirmarse con certeza que no existía algún grado de dominio del contenido, o que no había estructura conceptual establecida.

Tal como puede observarse en la tabla 2 y de acuerdo con las definiciones anteriores se obtuvo que: ocho mapas (33,3%) fueron clasificados como complejos, 11 (45,83%) medianamente complejos y 5 (20,83%) de baja complejidad.

Durante el análisis de los mapas conceptuales y la encuesta de decodificación, dos hechos llamaron la atención: a) No haberse encontrado correlación significativa entre el número de conceptos presentes y las notas de los alumnos y b) Haber encontrado signos de aprendizaje repetitivo o mecanización en la resolución de problemas asociados a la materia en estudio. Con relación a no encontrar correlación significativa entre el número de conceptos y las notas de los alumnos, cabe hacer notar que los conceptos de mayor presencia en los mapas conceptuales son aquellos más generales denominados inclusores. La falta de mención de conceptos menos específicos podría ser la causa de la escasa correlación entre conceptos y notas de los alumnos, lo que puede deberse a que quienes no los hacen presentes están en etapa de construcción de la estructura conceptual relacionada a la unidad, por lo que no lograban hasta ese momento dominio o comprensión total del contenido. Esta situación no puede considerarse ilógica, ya que la construcción de una estructura conceptual no es inmediata al estudio de una materia, sino que es un proceso gradual. La diferenciación de la estructura cognitiva y el dominio se realizará en la medida en que se lleguen a comprender los contenidos y se adquieran nuevos conocimientos relacionados.

Respecto de los indicios de aprendizaje repetitivo o mecánico que fueron detectados en estos alumnos de primer año de universidad, pueden ser explicables desde varios puntos de vista: a. Problema de motivación, que se caracteriza por buscar la obtención de una calificación y la satisfacción que de ello surge. b. El cambio radical producido desde los patrones de estudio del colegio hasta la universidad, en donde grandes volúmenes de materia deben ser aprendidos en corto tiempo. educación química •

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c. Desconocimiento de algunas de las materias en estudio, por lo cual los alumnos pueden verse enfrentados a cuerpos de conocimiento absolutamente nuevos. d. Desde el punto de vista del aprendizaje significativo y el aprendizaje repetitivo, es importante considerar los siguientes puntos: — Para Ausubel el aprendizaje significativo y el aprendizaje por repetición no son procesos dicotómicos, sino que forman parte de un continuo y pueden ocurrir concomitantemente en una misma tarea de aprendizaje (Ausubel et al., 1976).

— Según Moreira el aprendizaje repetitivo sea, tal vez, deseable o necesario, por ejemplo en el caso de una fase inicial de aprendizaje de un nuevo cuerpo de conocimientos (Moreira, 2000).

— De acuerdo con De Posada (2002) el aprendizaje significativo no se puede entender como un proceso revolucionario sino evolutivo, especialmente en áreas complejas con múltiples interrelaciones conceptuales. El aprendizaje significativo se produce gradualmente a medida que se realizan nuevas relaciones sustantivas con conceptos, experiencias, hechos y objetos conocidos por el individuo.

Expuestos estos planteamientos respecto de los aprendizajes repetitivos y significativo, y sumados a las razones antes mencionadas, no sería extraño encontrar índices de aprendizaje repetitivo o mecánico durante las primeras fases de aprendizaje de cualquier cuerpo de conocimiento. Sin embargo, lo trascendental es que este aprendizaje memorístico se transforme en aprendizaje significativo; tarea que, de acuerdo con la teoría del aprendizaje significativo compete en su parte fundamental al alumno, quien debe relacionar intencionalmente los nuevos conocimientos con los ya adquiridos.

En función de todos los antecedentes expuestos, también podría darse que la baja correlación entre el número de conceptos y la nota obtenida, se deba a que en el momento de realización del mapa conceptual predominara, en algunos alumnos, el aprendizaje mecánico o memorístico más que el comprensivo.

Conclusiones 1. El análisis de los mapas conceptuales de los alumnos permite validarlos como una herramienta útil para determinar el grado de dominio de una materia específica, a través de la imagen que entregan del grado de desarrollo conceptual, relación entre conceptos y los conceptos generales y específicos que cada alumno presenta.

2. El mapa de conceptos es una herramienta valiosa para el profesor, ya que permite, como se hizo en este trabajo, detectar el grado de omisión de conceptos en los alumnos y los errores conceptuales o concepciones alternativas, lo cual permite dirigir tanto acciones de reforzamiento como de corrección de concepciones erróneas.

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3. Aunque existan mapas conceptuales parecidos, existen los elementos que los diferencian, lo que permite validar que la construcción del conocimiento, reflejada en los mapas, es definitivamente idiosincrásica.

4. No se sugiere la evaluación de los mapas de los alumnos mediante la utilización de los mapas de expertos como pautas de corrección, ya que no existe igual grado de comprensión relacionada a una materia específica. Sin embargo, se sugiere una discusión interdisciplinaria para acordar los conceptos básicos que logren un mejor desempeño posterior de los alumnos.

5. No se encontró correlación significativa entre el número de conceptos versus la nota obtenida en la respectiva prueba. Esto, puede implicar que la habilidad de resolver problemas en química no necesariamente refleja la comprensión conceptual del contenido o que los alumnos se encuentran en la etapa de construcción de la estructura conceptual de una materia especifica, o bien que en algunos alumnos predominaba el aprendizaje asociativo más que el comprensivo al momento de la construcción del mapa.

6. Los resultados obtenidos por los alumnos en la PEP 1 de Equilibrio Iónico permitieron considerar a la estrategia de aprendizaje activo y cooperativo, MART, como un método eficaz en la mediación de aprendizaje, que no sólo facilita el aprendizaje de conceptos y resolución de problemas, sino que resulta eficaz en la transferencia de aprendizaje a situaciones nuevas . Con relación al rendimiento de los alumnos en la PEP 1 y la aplicación del método MART se obtiene que: 20 alumnos (66,7%) obtuvieron calificación muy buena o buena (superior a 5,0), tres alumnos (10%) calificación suficiente y sólo siete alumnos (23,3%) calificación insuficiente (bajo 4,0). Finalizado el curso, sólo tres alumnos reprobaron la asignatura (10%).

7. La hipótesis inicial de este trabajo planteaba que los alumnos de alto rendimiento realizarían mapas más complejos. Con relación a esta hipótesis y considerando de alto rendimiento las calificaciones entre 6,0 y 7,0, se encontró que 10 alumnos de 24 se encuentran en este rango. Del análisis de los mapas de estos alumnos, se desprende que un 60% (6 mapas) son complejos, un 20% (dos mapas) son de mediana complejidad y otro 20% (dos mapas) son de baja complejidad. Debe mencionarse que dos alumnos que obtuvieron calificación suficiente también fueron capaces de construir mapas complejos. Estos resultados corroboran que la complejidad de los mapas es el reflejo del dominio de una materia y éste es la base de la capacidad para la resolución de problemas. Sin embargo, también reafirman que la comprensión no necesariamente se asocia a la habilidad de resolución de problemas, ya que en ocasiones el aprendizaje de tipo algorítmico también permite su resolución.

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Agradecimientos Los autores agradecen a Fondecyt, proyecto 1020032 y a DYCYT-USACH proyecto 0362MM por el financiamiento parcial de este proyecto.

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educación química •

abril de 2009

Anexo Universidad de Santiago de Chile Facultad de Química y Biología Departamento de Química de los Materiales Profesor: Manuel Martínez M.

Primera Prueba Específica Programada. Química General II Nombre: ..........................................................................................................................................................

Nota: Resuelva el control en hoja separada, y luego escriba la respuesta, en el espacio expresamente asignado.

1.- Calcule sólo con primera aproximación el pH de las siguientes soluciones acuosas: a) NaHSO4 0,10 M b) Solución obtenida por reacción de 50 mL de Na2 CO3 0,1 M con 50 mL de HCl 0,2 M. c) Solución obtenida por reacción de 50 mL de NaOH 0,2 M con 50 mL de HAc 0,4 M. d) Solución obtenida por reacción de 50 mL de NH3 0,2 M con 50 mL de HCl 0,4 M e) Solución obtenida por reacción de 50 mL de carbonato de sodio 0,2 M con 25,0 mL de ácido clorhídrico 0,2 M.

Respuestas:

(1,5 puntos)

2. Calcule el pH de la solución obtenida por reacción de 50 mL de solución de un buffer de acetato de sodio 1,0 M y ácido acético 1 M, con: a) 50 mL de HCl 0,2 M; b) 50 mL de NaOH 0,2 M.

(1 punto)

R.: a) pH =

b) pH =

3. Se prepara una solución mezclando 25,0 mL de amoníaco 0,10 M con 50,0 mL de ácido clorhídrico 0,10 M. Calcule la concentración de TODAS las especies presentes, y el pH de la solución resultante

(1,5 puntos) Respuestas:

a) d)

b) e)

c) f)

4. a) Se añade hidróxido de sodio sólido a una disolución 0,01 M de nitrato de magnesio hasta obtener una solución final cuyo pH es 12,00. Calcule la concentración de iones magnesio en la solución final si la Kps del hidróxido de magnesio es 1,1 E-11.

( 1 punto) R.: b) Se dispone de una solución 0,010 M en Cu2+ y 0,010 M en Zn2+ acidificada con HCl 1,00 M. Si se hace burbujear ácido sulhídrico hasta que su concentración sea 0,10 M , determine que especie precipita primero. Si se desea que precipite la segunda especie, a que pH se debe ajustar la solución.

(1 punto) R.: Precipita primero: pH = DATOS : Kb NH3 = 1,8 E-5 ; Ka HAc = 1,8 E-5 Ka1 = 4,3 E-7, Ka2 = 5,6 E-11 para H2CO3, Ka1 = 7,1 E-3, Ka2 = 6,3 E-8 Ka1 = 1,3 E-7, Ka2 = 7,1 E-15 para H2S

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Ka2 = 1,0 E-2 para H2SO4 Ka3 = 4,5 E-13 para H3PO4 Kps de CuS = 1,3 E –36

Kps de ZnS = 1,6 E-24

didáctica de la química

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Nuestra portada Mural Presencia de América Latina, de Jorge González Camarena, realizado en 1965 en la Pinacoteca Casa del Arte de la Universidad de Concepción en Chile, con la colaboración de los muralistas mexicanos Manuel Guillén, Salvador Almaraz y Javier Arévalo, y los chilenos Albino Echeverría y Eugenio Brito.

En la parte izquierda de este mural un gran cacto con dagas clavadas y sus raíces se enredan y entrelazan con esqueletos de hombre.

Al centro, un monolito arquitectónico en donde se despliegan numerosas banderas de Latinoamérica, y más hacia la izquierda se ven una mujer y el mapa de América; sobre ella un friso y un capitel griego.

Al lado un gran rostro indígena acompañado de otros rostros en transparencia de diversos tamaños.

Ésta es la parte derecha del mural, que complementa a la imagen aparecida en la portada.

A la izquierda se representa a un ave de rapiña. Y la pareja del conquistador español es la mujer indígena; a los pies de ambos hay varias figuras femeninas dormidas entre las piedras.

La secuencia termina con unos símbolos de la cultura precolombina como el sol poniente Zontemoc, el señor de las aguas Tlaloc, y Quetzalcoatl, la serpiente emplumada que toma todo el trabajo arquitectónico de la escalera del edificio.

0187-893-X ISSN 0187-893-X ĂŠpoca Segunda ĂŠpoca 19 Volumen 19 NĂşmero 32 Abrilde de2008 2008 Julio

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HACE 101 AĂ‘OS PROFESORES AL DĂ?A (COMPUTADORAS CUĂ NTICAS) D CuĂĄntica Mendeleiev: El que debiĂł haber sido y no fue f por CuĂĄntica: QuĂ­mica cuĂĄntica con computadoras cuĂĄnticas PARA QUITARLE EL POLVO DIDĂ CTICA DE LA QUĂ?MICA D Conservation of Energy.

Readings on the Origins of the Firstproposta Law of Thermodynamics.

Partcomplementar I f Uma de material didĂĄtico para o ensino de conceitos em quĂ­mica analĂ­tica qualitativa INVESTIGACIĂ“N EDUCATIVA f EvaluaciĂłn de escenarios para el aprendizaje basado en problemas D (abp) La pedagogĂ­a en la educaciĂłn quĂ­mica.

La experiencia al implementar en la asignatura de quĂ­mica de bachillerato un modelo didĂĄctico en la enseĂąanza de la quĂ­mica en el laboratorio PARA QUITARLE EL POLVO D Estudio exploratorio sobre la comprensiĂłn de los conceptos de evaporaciĂłn, f Conservation Energy. de Readings onestudiantes the origins universitarios condensaciĂłnof y presiĂłn vapor en of the First Law of Thermodynamics (part ii) D “Transformaçþes quĂ­micasâ€? e “transformaçþes naturaisâ€?: f Antoine Laurent Lavoisier.

El revolucionario um estudo das concepçþes de um grupo de estudantes do ensino mÊdio

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