La enseñanza de la química ambiental: Una propuesta fundamentada en la controversia científica y la resolución de problemas

The Teaching of Environmental Chemistry: A Proposed Grounded In the Scientific Controversy and Problem Solving

O ensino de química ambiental: uma proposta baseada na controvérsia científica e solução de problemas

Marisol Ramos R.*
Liz Muñoz A.**

* Licenciada en Química, Magister en Ciencias Químicas, Magister en Gestión Ambiental. Docente ocasional Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá-Colombia. marunal2001@yahoo.com
** Licenciada en Química, Magister en Docencia de la Química. Doctora en Educación para la Ciencia. Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas. lizm200528@yahoo.com

Para citar este artículo:
Ramos R., M., Muñoz A., L. (2015) La enseñanza de la química ambiental: una propuesta fundamentada en la controversia científica y la resolución de problemas. Revista de la Facultad de Ciencia y Tecnología -Tecné, Episteme y Didaxis, (38), 133-146.

Artículo recibido el 22-06-2015 y aprobado el 07-10-2015

Resumen

En este trabajo se presenta una investigación realizada en el espacio académico de "Química Ambiental", de estudiantes de sexto semestre de Licenciatura en Química, específicamente en la temática de sobre recurso hídrico, su importancia, análisis fisicoquímico de aguas, contaminación y tratamiento de estas, con la intención de buscar el mejoramiento de la enseñanza, la construcción de conocimientos y el desarrollo de competencias, en el campo de la formación inicial de profesores de química. Para ello se diseñó y aplicó la unidad didáctica llamada "Agua, recurso y abuso", la cual se estructuró haciendo uso de la resolución de problemas y la controversia sociocientífica. El desarrollo de dicha unidad abarcó tres etapas: en la primera se identificaron las ideas alternativas que tenían los estudiantes, relacionadas con los conceptos de cambio químico y agua, este último se exploró tanto desde el punto de vista químico como desde la importancia en los ecosistemas y en la vida del hombre. En la segunda etapa se diseñó e implementó una unidad didáctica que buscaba la reconstrucción de las ideas alternativas, incluyó un análisis de videos, desarrollo de prácticas de laboratorio que fue desde el muestreo en un cuerpo de agua, análisis fisicoquímicos de muestras de agua, visita a una planta de tratamiento de agua potable y trabajo grupal, en torno a controversias sociocientíficas relacionadas con la importancia del cuidado del agua y los diferentes métodos de tratamiento para agua potable. En la tercera etapa, se realizó el seguimiento y análisis de las actividades de aula y laboratorio desarrolladas durante la implementación de la unidad didáctica, lo cual permitió identificar los procesos de aprendizaje. El trabajo realizado favoreció la comprensión y la construcción del conocimiento químico relacionado con las temáticas de análisis y tratamiento del agua, así como el compromiso del hombre en el cuidado del recurso hídrico, de igual forma se evidenció el progreso de los estudiantes en el desarrollo de las habilidades argumentativa, propositiva e interpretativa.

Palabras clave: Controversia sociocientífica, resolución de problemas, competencias, agua, tratamiento de aguas.

Abstract

In this work a study conducted in the academic area of "Environmental Chemistry", of sixth semester Bachelor of Chemistry, specifically on the issue of water resources, its importance, physicochemical analysis of water contamination and treatment presents same, with the intention of seeking the improvement of education, building knowledge and skills development in the field of Initial Teacher Training Chemistry. For it was designed and implemented the teaching unit called "water resource and abuse," which was organized using problem solving and socio-scientific controversy, the development of this unit comprised three stages: the first in which identified alternative ideas that students had related to the concepts of chemical change and water, the latter concept is explored both from the chemical point of view and from the importance to ecosystems and human life; in the second stage a series of activities seeking the reconstruction of alternative ideas were designed, these activities included video analysis, development labs from the show in a body of water, physicochemical analysis of water samples, visit a plant water treatment and group work around socio-scientific controversies related to the importance of water conservation and the different methods of treatment for drinking water and in the third stage, monitoring and analysis of classroom activities performed and laboratory developed during the implementation of the teaching unit allowing to identify the learning processes. The work accomplished promote understanding and construction of chemical knowledge related thematic analysis and water treatment as well as the commitment of the man in the care of water resources, just as the student progress in developing evidenced the argumentative and interpretive proactive about water as a water resource skills, this led to the conclusion that teaching is based on socio-scientific controversy and troubleshooting becomes more dynamic the teaching-learning process and encourages the building of concepts.

Keywords: Partner-scientist controversy, problem solving, competitions, water, water treatment.

Resumo

Neste trabalho é apresentada uma pesquisa realizada na disciplina de "Química Ambiental", na qual participaram alunos de terceiro ano de licenciatura em Química, especificamente nos temas de recursos hídricos, sua importância, análises físico-químicos de águas, contaminação e tratamento destas visando ao melhoramento do ensino, a construção de conhecimentos e o desenvolvimento de competências no campo da formação de professores de Química. Conforme estes aspectos foi construída e realizada a implementação de uma unidade didática intitulada "Água, recurso e abuso", a qual foi estruturada na solução de problemas e na controvérsia sociocientífica. O desenvolvimento de dita unidade envolveu três etapas: na primeira foram identificados as ideias alternativas dos alunos conforme os conceitos de mudança química e água, estes aspectos foram considerados a partir do ponto de vista químico e da importância da água nos ecossistemas e na vida do ser humano. Na segunda etapa foi construída e implementada uma unidade didática que procurando a reconstrução das ideias alternativas, o que incluiu uma análise de vídeos, desenvolvimento de práticas de laboratório que foram desde um amostragem de água, análise físico-químico, visita a uma usina de tratamento de água potável e trabalho em grupo voltado à discussão de controvérsias sociocientíficas relacionadas com a importância, o cuidado e o tratamento de água potável. Na terceira etapa foi realizado o acompanhamento e a análise das atividades de sala de aula, bem com o desenvolvimento de laboratórios que possibilitaram identificar os processos de aprendizagem. O trabalho realizado favoreceu a compreensão e a construção de conhecimento químico relacionado com as temáticas de análise e tratamento de água, assim como o compromisso do ser humano no cuidado do recurso hídrico, da mesma forma foi evidenciado avanços dos alunos no desenvolvimento de habilidades para a argumentação, a elaboração de propostas e a interpretação.

Palavras-chave: controvérsia sociocientífica, solução de problemas, competências, água, tratamento de águas.

Introducción

Debido a las implicaciones sociales de la práctica científica, las controversias sociocientíficas son un recurso recurrente en la investigación didáctica, en las clases de ciencias y en la divulgación científica (Jiménez-Liso, Hernández-Villalobos y Lapetina, 2010). Las diferentes opiniones sobre dilemas sociales que surgen y que están relacionadas con la ciencia, se convierten en un punto de partida y en un motor de aprendizaje, así como lo pueden ser las concepciones alternativas y los conflictos cognitivos.

En el proceso de formación científica de los profesores y estudiantes, las concepciones sobre la ciencia se construyen, en la mayoría de los casos, sin la reflexión desde el punto de vista de la filosofía de la ciencia (Hodson, 1996). Esta situación se refleja en la acumulación de conocimientos establecidos como dogmas para los estudiantes (García, 1998) y que son olvidados sin encontrar su aplicación dentro de la cotidianidad de la sociedad. Construir una propuesta para enseñar la ciencia, recurriendo a la cotidianidad y a la problematización de la misma, se constituyó en una alternativa para enseñar la química ambiental a los profesores en formación de VI semestre del programa de Licenciatura en Química de la Universidad Distrital en la ciudad de Bogotá (Colombia).

La resolución de problemas fue considerada una estrategia de enseñanza, para que los estudiantes se enfrentaran a situaciones reales o simuladas sobre: la contaminación del agua, su clasificación, propiedades y los tratamientos químicos y físicos. Así mismo, se recurrió a los fundamentos de la controversia científica para identificar la comprensión de conceptos, la construcción individual y colectiva de los argumentos elaborados por los profesores en formación. Esto con la finalidad de promover pensamientos críticos sobre los temas propuestos, los cuales se evidenciaron en las controversias que surgieron en el aula sobre la reflexión, discusión y elaboración de explicaciones científicas, sociales y ambientales de la temática del agua.

Controversia científica

Según Dascal (1995) la controversia pertenece a la familia de los fenómenos discursivos, dialógicos y polémicos, que parten de una discusión en la que los contendientes buscan la raíz de un tema o problema para llegar a soluciones gracias a la aplicación de procedimientos aceptados. Existen divergencias en las cuales no se concibe que sea necesario llegar a soluciones, debido a que los procedimientos para llegar a estas, no necesariamente son aceptados por las partes involucradas.

La controversia puede ser asumida, según Valverdú (2005), como una polémica que está entre una discusión y una disputa. Estas pueden empezar por un tema o problema específico y rápidamente llegan a expandirse a otros; es necesario aclarar que no se trata exclusivamente de conflictos sin solución aparente, pues se involucran actitudes y preferencias opuestas entre las partes y se requiere que por lo menos dos personas empleen el lenguaje como medio de comunicación e interacción para que los interesados expresen sus opiniones, confrontaciones, argumentos, teorías, etc.

El mismo autor afirma que las controversias científicas están claramente definidas como controversias especiales en las que participa, como mínimo, una disciplina científica desde la cual se cuestionan los resultados del objeto de discusión, protocolos empleados o su aceptabilidad epistémica, sea cual sea el nivel epistémico/metodológico de la crítica o el punto del proceso de la obtención/procesamiento/exposición de los datos que hayan sido criticados por los diversos participantes en relación y sobre el problema abordado.

Resolución por problemas

En el campo de la didáctica de las ciencias, la resolución de problemas ha sido estudiada desde diferentes enfoques a través del diseño de heurísticos y herramientas heurísticas que guíen al interesado en la resolución del problema (García, 2000). Frazer (1982) considera que la resolución de problemas es un proceso que utiliza el conocimiento de una disciplina (en este caso la química ambiental) y las técnicas y habilidades de esa disciplina para salvar el espacio existente entre el problema y su solución. La resolución de problemas desde la concepción deweyana conlleva una serie de actividades que deben generar la solución a un problema.

Durante la investigación realizada, se sugirieron situaciones problema contextualizadas en un ambiente conocido por los estudiantes, en el cual se abordó el tema de la importancia del agua mediante elaboración de sus ideas para crear diferentes soluciones recurriendo a diversos aspectos que involucraban explicaciones de tipo científico, social, cultural, etc. Las decisiones de los estudiantes, al elaborar las explicaciones, partieron de sus experiencias y conocimientos construidos sobre el tema.

De este modo se resalta la importancia de desarrollar una herramienta didáctica que permita tomar las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) como un instrumento que permite potencializar la relación estudiante/conocimiento, y poder generar en él, habilidades de pensamiento crítico y reflexivo, ya que las demandas actuales de la educación así lo establecen.

Metodología

El proceso de intervención en el aula y la elaboración de la unidad didáctica propuesta forman parte de un macroproyecto titulado: "Construcción de una propuesta de aula interdisciplinaria basada en la resolución de problemas y la controversia científica, centrada en los espacios académicos de Química Básica, Química Inorgánica y Química Ambiental" (Muñoz, Peña, Ramos y Huertas, 2012), dentro del cual se realizó también un trabajo de grado titulado: "Diseño y aplicación de la unidad didáctica 'Agua,recurso y abuso'," basada en resolución de problemas y controversia científica" (Puentes y Romero, 2013).

En el trabajo mencionado se construyó la unidad didáctica "Agua, recurso y abuso" desarrollada en cuatro etapas:

  1. Identificación de las ideas alternativas que tenían los estudiantes de VI semestre sobre los conceptos de cambio químico y agua, su estructura, importancia.

  2. La construcción de la unidad didáctica en la cual se diseñó y preparó una serie de actividades que sirvieron para que esas ideas alternativas se reconstruyeran, partiendo de la comprensión de los conceptos científicos trabajados durante el desarrollo del programa académico de la química ambiental que incluye: estructura del agua desde el punto de vista químico, importancia del agua en los ecosistemas y en la vida del hombre, análisis fisicoquímico de muestras de agua, contaminación de aguas, tratamiento de aguas potables y residuales.

  3. Seguimiento de las actividades de aula, que formaban parte de la unidad didáctica como las prácticas de laboratorio y el trabajo con controversias científicas y situaciones problema para analizar los procesos de aprendizaje.

  4. Análisis de los resultados obtenidos, con el propósito de evaluar los objetivos planteados,en cuanto a la identificación y análisis de los argumentos elaborados por los estudiantes, frente a las situaciones planteadas y la apropiación de los conceptos trabajados.

Para lo anterior se establecieron tópicos a partir de los cuales se recoge y organiza la información, para lo cual se realizó una categorización, en la cual se establece la relación entre resolución de problemas y controversia científica, trabajando así tres categorías que obedecen a las competencias: interpretar, argumentar y proponer (iap), para posteriormente elaborar una triangulación. Esta última consiste en un procedimiento heurístico orientado a documentar y contrastar información según diferentes puntos de vista y a través de los instrumentos usados como a los diarios de campo, registros fílmicos y documentos obtenidos de la aplicación de la unidad didáctica como recursos de recolección de información.

En las tablas 1 y 2 se presentan las categorías y criterios de análisis con los diferentes instrumentos propuestos para la recolección de información pertinente a la investigación, además de las matrices de criterios de análisis para la triangulación de los instrumentos.

Resultados y análisis

A continuación se describen los resultados del proceso de implementación de la unidad didáctica y de las controversias, de acuerdo con las etapas descritas en la metodología.

Primera etapa

Con respecto al test de ideas alternativas, este se organizó en bloques temáticos buscando ayudar a los investigadores a realizar el estudio de los conocimientos previos del estudiante, en cuanto a los objetivos que se abordan en el espacio académico de Química Ambiental. Su propósito es que los estudiantes logren la construcción de conocimiento acerca del agua desde el punto de vista de una matriz ambiental de análisis, la cual es utilizada para diagnosticar del estado de un cuerpo de agua, iniciando con una caracterización fisicoquímica, para luego estar en la capacidad de plantear un posible tratamiento.

El test permitió evaluar los conocimientos relacionados con el ciclo hidrológico, muestreo, posibles contaminantes del agua y los parámetros posibles a analizar en un cuerpo de agua. Las preguntas del test fueron las siguientes:

Los resultados del test mostraron que el 53 % de los estudiantes conoce parcialmente el funcionamiento del ciclo del agua, dejando de lado la interacción del agua con los componentes estructurales de los ecosistemas; algunos de ellos no exponen todas las fases que componen el ciclo del agua y le dan nombres equivocados a los procesos físicos que ocurren allí.

Segunda etapa

Luego de la implementación y análisis del test se diseñaron y aplicaron las diversas actividades que forman parte de la unidad y se proceden a elaborar e implementar.

Actividad 1. Viaje del agua

Buscó una construcción significativa de los diferentes conceptos sobre procesos físicos del agua.

Video "El viaje del agua". Se presentó a los estudiantes un documental elaborado por la BBC, titulado El viaje del agua, que tuvo como intención contextualizarlos sobre las características del agua. El objetivo fue relacionar las concepciones alternativas de los estudiantes respecto a las propiedades, carácter dinámico y origen de agua en el planeta. El video tuvo una duración de 40 minutos, al cabo del cual se realizó un debate a partir de preguntas que generaran discusión invitando a los estudiantes a exponer y argumentar sus ideas frente al problema "¿Por qué se dice que el agua en el planeta se está agotando?". Se pretendía que los alumnos, a partir de la información obtenida del video, fueran reconsiderando sus concepciones y propusieran una respuesta al problema central, recurriendo a la elaboración de sus respectivos argumentos contemplando aspectos como el origen, el ciclo, las propiedades físicas y químicas del agua, así como todo el contexto social que rodea este controversial tema.

Los estudiantes reconocieron el carácter dinámico del agua, comprendieron el ciclo del agua como un fenómeno que implica la interacción con las especies vivas y que es más complejo que su forma de representarlo en los estados de evaporación, condensación y precipitación. Es posible inferir que la actividad permitió analizar las preconcepciones de los estudiantes y dar un preámbulo o inicio de la temática, análisis y tratamiento de aguas potables y residuales.

Actividad 2

Los temas abordados para orientar el aprendizaje de los estudiantes y las discusiones, se fundamentaron en explicaciones acerca de las generalidades del análisis y tratamiento de aguas, las diferencias entre aguas potables y residuales, la caracterización del agua en cuanto a: determinación de pH, olor, color, temperatura, sabor, turbidez, y sólidos, determinación de dureza, metales pesados, nitritos, nitratos, sulfitos, sulfatos y el análisis biológico del agua correspondiente a la determinación de especies en el agua, proceso de química de la cloración.

Las explicaciones teóricas estuvieron apoyadas con las prácticas de laboratorio desarrolladas sobre situaciones problema previamente formuladas por los investigadores. Por otra parte, la propuesta de estas prácticas de laboratorio fue innovadora, por cuanto permitió a los estudiantes consultar acerca de los métodos existentes en la determinación de parámetros fisicoquímicos del agua como alcalinidad, dureza, cloruros, sulfatos, nitratos, etc.; la importancia sanitaria de la determinación de cada uno de ellos y proponer el método más pertinente para analizar la muestra de aguas suministrada, ajustándolo a las condiciones, reactivos y materiales ofrecidos por el laboratorio. La discusión posterior con sus pares académicos confrontando las opciones que cada grupo tomó y la construcción colectiva para finalmente escoger el procedimiento más adecuado y llegar a puntos en común entre los participantes de la discusión.

Durante el desarrollo de la unidad se llevaron a cabo cinco prácticas de laboratorio, con la finalidad de que el estudiante lograra apropiarse de los análisis necesarios para realizar una caracterización de agua potable y residual, basados en los conocimientos, los fundamentos de los métodos y el análisis de los cambios químicos que se producen en estas determinaciones, para poder interpretar los resultados y así concluir acerca de la calidad de una muestra de agua, que previamente había sido seleccionada para su análisis.

En términos generales se observó que el 75 % de los grupos se mostró interesado en proponer el análisis y las soluciones a la situación problémica planteada; describieron los análisis a realizar; identificaron los problemas que causan la contaminación de los cuerpos de agua y plantearon ideas para su mantenimiento y tratamiento adecuado. Del mismo modo, rescataron la relación entre la industria y el aumento de los diversos contaminantes y propusieron estrategias educativas para mitigar estos impactos negativos.

Actividad 3

Se presentaron controversias sociocientíficas relacionadas con la importancia del recurso agua y su tratamiento. A continuación se muestran dos ejemplos de las temáticas abordadas y el desarrollo de las mismas:

En esta actividad, se asignaron a los grupos de trabajo los diferentes métodos de desinfección de aguas como son: desinfección con cloro y sus derivados, mediante peróxido de hidrógeno, ozonización, o por radiación UV. Se trabajó lo relacionado con la química de estas sustancias, sus ventajas, sus desventajas, de tal forma que cada grupo debía defender su posición. Adicionalmente se trabajó el artículo: "El dilema ético de la fluoración de agua potable" (Mendoza, 2007), se estableció una controversia acerca de la conveniencia o no de la fluorización del agua.

El desarrollo de las actividades de controversia permitió a los estudiantes mejorar sus habilidades interpretativa, propositiva y argumentativa; así se incrementó el análisis de los problemas a través de las teorías científicas y se logró la comprensión de los aspectos planteados. Sin embargo, un pequeño porcentaje de estudiantes elaboró explicaciones fundamentadas en el conocimiento cotidiano. La clausura de las controversias fue de común acuerdo, en concordancia con lo que propone Dascal (1995).

Actividad 4. Visita planta de tratamiento Francisco Wiesner (La Calera-Cundinamarca)

Para contextualizar las temáticas estudiadas se realizó una visita a la planta de tratamiento de agua potable Francisco Wiesner, ubicada en el municipio de La Calera, departamento de Cundinamarca (Colombia). En esta visita el estudiante se acerca al conocimiento de tratamiento de aguas desde una situación real y que, además, le permite reflexionar sobre la importancia y pertinencia de los conocimientos construidos, tanto en las controversias, como en los seminarios y prácticas de laboratorio. Los estudiantes demostraron interés durante esta actividad: prestaron atención y preguntaron continuamente.

Producto de esta visita se realizó un taller en el cual los estudiantes retroalimentaron sus conocimientos; el 94 % de ellos recopiló información y expuso sus ideas frente a los conceptos de coagulación, floculación, sedimentación, caracterización fisicoquímica de aguas filtración, desinfección, sin dejar de lado el contexto social, ambiental y económico del país.

A continuación se presenta la triangulación de las categorías y su respectivo análisis, de acuerdo con las categorías y criterios usados y ya enunciados; esto permitió integrar las diversas competencias que se pretendieron valorar y dar un desarrollo lógico a las actividades que integraron la unidad didáctica como lo fueron un diagnóstico inicial (test de ideas previas), lo cual facilitó orientar la elaboración de la unidad didáctica, con una introducción general e importante para captar la atención de los estudiantes, seguida de un proceso de avance en construcción de conceptos químicos en torno al agua, su uso caracterización, tratamiento y cuidado, para lo que se desarrolló una teoría, contrastada con las prácticas de laboratorio, además del desarrollo de las controversias científicas mostradas anteriormente y una visita a la planta de tratamiento de agua potable, permitiendo de esta forma dar una tratamiento integral de la temática de interés.

Proceso de Evaluación

El proceso de evaluación fue continuo e integral. Se enfatizó en la evaluación formativa, que tuvo como finalidad servir de regulador del proceso de enseñanza y de aprendizaje; por lo cual se evidenciaron tanto las habilidades y destrezas del estudiante como la eficacia de las actividades propuestas en la construcción de conocimientos realizando énfasis en las competencias propositivas, interpretativas y argumentativas, como mencionan (Alonso, Navarro, 2008) estas competencias Científicas de Pensamiento Crítico y Reflexivo se entienden como la capacidad que tiene un sujeto de desarrollar procesos cognitivos, permitiéndole integrar creativa y propositivamente los saberes frente a nuevas situaciones, resolviendo problemas desde una postura crítica, ética y de construcción de significados contextualizados. Dicha postura crítica implica, que además de comprender los fenómenos, se construya una mirada particular en torno a la ciencia misma.

Conclusiones

La propuesta trabajada con los profesores en formación mediante la implementación de la controversia científica, promovieron el desarrollo de competencias, mejorando la enseñanza de las ciencias y la construcción de argumentos desde diferentes posturas de los futuros profesores.

El desarrollo de las actividades de la unidad didáctica facilitó la construcción de conocimientos sobre el cambio químico, análisis y tratamiento de aguas. Lo anterior se evidenció en el desarrollo de las competencias: interpretar, proponer y argumentar, de los estudiantes, las cuales fueron expuestas en los análisis de los resultados de las diferentes actividades que componen la unidad didáctica.

La controversia científica contribuyó al proceso educativo creando espacios de discusión en los cuales los estudiantes recurrieron a fundamentos teóricos para elaborar argumentos y explicaciones que fueron objeto de confrontación y negociación con sus pares, para así generar conocimiento y reflexionar sobre el tema agua y el impacto ambiental que genera.

El trabajo realizado en el espacio académico de "Química Ambiental" logró evidenciar el grado de comprensión alcanzado por los estudiantes mediante las actividades desarrolladas y las controversias formuladas. Se abordaron problemáticas que involucraban aspectos científicos, sociales y ambientales en contextos familiares, con las cuales se logró un mejoramiento de sus habilidades interpretativas, propositivas y argumentativas a través del desarrollo y evaluación de la unidad.

La importancia en la construcción de esta propuesta didáctica para la formación de docentes en química radica, en que gracias al estudio previo y seguimiento que se le hizo al espacio académico de química ambiental, se detectó una serie de situaciones en la metodología de la clase, que fueron modificadas para que la unidad didáctica "Agua, recurso y abuso" facilitara la construcción de conceptos acerca de la contaminación, análisis y tratamiento de aguas en los estudiantes, lo que quedó en evidencia en los resultados obtenidos durante el desarrollo de las actividades.

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