Investigación didáctica de la cinética química

Los estudios en didáctica de la química, han demostrado que los conceptos de cinética química son considerados temas altamente relevantes para la enseñanza de las reacciones químicas y del equilibrio químico (Kaya y Geban, 2012, p. 217; Kurt y Ayas, 2012, p. 980; Sánchez, Domínguez y García, 2002, p. 172), además, revelan que debe ser estructurado como contenido central en el plan de estudios de química (Cachapuz y Maskill, 1987, tomado de Kaya y Geban, 2012, p. 217; MEN, 2004, p. 22), pues permite que los estudiantes aprendan cómo se produce una reacción química por medio de la teoría de las colisiones, la importancia de los catalizadores, los mecanismos de las reacciones y sus aplicaciones industríales (Tastan, Yalçinkaya y Boz, 2010, p. 47). No obstante, se ha encontrado que no hay muchas investigaciones acerca de la comprensión de los conceptos de velocidad de reacción, ya que la mayoría de los estudios en enseñanza de la cinética química está bajo la sombra del equilibrio químico (Sánchez, Domínguez y García, 2002, p. 172).

Así mismo, las investigaciones internacionales ponen de manifiesto que los estudiantes de los diferentes niveles académicos, tienen problemas en la explicación de los conceptos científicos que se observan en la vida cotidiana (Wu, 2003) y el concepto de velocidad de reacción es considerado uno de los temas con el que los estudiantes tienen dificultades para entender y aplicar a la vida real (Kurt y Ayas, 2012, p. 980).

Dentro de las propuestas que se han utilizado para mejorar la enseñanza y aprendizaje de la cinética química se encuentran en su mayoría estudios con metodologías que permitieron dar a conocer los diferentes errores conceptuales que tienen los estudiantes y profesores de la temática de la velocidad de las reacciones químicas y sobre su posible origen (Ahiakwo e Isiguzo, 2015; Kolomuç y Çalik, 2012; Kolomuç y Tekin, 2011; Tastan, Yalçinkaya y Boz, 2010), a su vez se han utilizado estrategias basadas en el modelo constructivista con actividades de resolución de problemas de los conceptos de cinética química y su aplicación en acontecimientos de la vida real (Kurt y Ayas, 2012); el uso de actividades y trabajos prácticos o experimentales para estudiantes y profesores siguiendo el enfoque de la enseñanza y aprendizaje significativo (Barrera, 2013, p.175; Kaya y Geban, 2012; Martínez, 2009); la utilización de modelos y analogías como estrategia para aproximar lo abstracto mediante representaciones concretas (Bender, Cutrera y Defago, 2007) y el uso de recursos informáticos que van desde la utilización de simuladores que modelan los procesos ocurridos en las reacciones micro (Bigger, 2011; Da Silva, Sousa, Silva, Oliveira y Melo, 2014; Huddle y White, 2000; Stieff y Wilensky, 2003), el manejo de hojas de cálculo de la plataforma Ms Excel conveniente para conceptualizar datos cinéticos experimentales: trazar gráficos de forma rápida, determinar el orden de una reacción y la constante de velocidad (Zain, Abdul y Sui, 2013), el diseño de objetos virtuales de aprendizaje (OVA) como herramientas para complementar las actividades planeadas por el docente dentro de su estrategia de enseñanza al abordar el tema de cinética química (Botero y Palomeque, 2014) y la implementación de las TIC (Hernández, 2013).

Metodología de aprendizaje activo

El aprendizaje activo se define como un método de enseñanza en donde el eje central del proceso de aprendizaje son los estudiantes, a través de la realización de actividades prácticas en el aula, que permiten que los alumnos piensen en lo que están haciendo (Bonwell y Eison, 1991, citado de Prince, 2004, p. 1). Los elementos centrales del aprendizaje activo son las actividades de los estudiantes y su compromiso en el proceso de aprendizaje (Prince, 2004, p. 1).

A diferencia de la clase tradicional en donde los estudiantes reciben pasivamente la información por parte del profesor, el aprendizaje activo conduce a mejorar las actitudes de los alumnos, en el desarrollo de habilidades de pensamiento crítico. Según Hiler y Paul (2006), para aprender se debe pensar y preguntar continuamente: "¿Qué quiere decir esto realmente? ¿Cómo lo sabemos? Si es cierto, ¿qué más es cierto?", y contestar estas preguntas por sí mismo. Las respuestas que el profesor da no se asimilan completamente a menos que las mentes de los estudiantes estén listas para recibirlas. El fundamento de la estrategia radica en propiciar una actitud activa del estudiante durante la dinámica de la clase, en donde él mismo es autónomo, responsable y consciente de lo que aprende, de qué debe aprender y de lo que no ha aprendido (Sierra, 2013).

Este método exige que los educandos no sean simples espectadores, que no se limiten simplemente a oír, sino que generen procesos de lectura, escritura, indagación y resolución de problemas. Es decir, según Gonzales (2000), le permite la utilización de operaciones intelectuales de orden superior como el análisis, la síntesis, la interpretación, la inferencia y la evaluación. En consecuencia, se requiere por parte del profesor una forma diferente de conducir la clase, y dejar atrás la cátedra expositiva, en la que se caracteriza por ser el eje central del proceso de enseñanza-aprendizaje. Por tanto, el docente adquiere el rol de facilitador, orientando a los alumnos en su proceso de búsqueda del conocimiento (Cuadrado, 2010, p. 2).

La experimentación en el aula de clase

Uno de los enfoques utilizados con mayor impacto en la enseñanza-aprendizaje de las ciencias naturales, entre ellos la química, especialmente en temáticas donde prevalece la práctica, es considerar la indispensable relación entre teoría y experimentación. De esta manera, se puede razonar que el aula debe convertirse en un espacio de generación de conocimiento, en donde prevalezca la indagación y la experimentación constante y se aleje un poco del uso memorístico y repetitivo de fórmulas. Sin embargo, según Golombek (2008), es estrictamente cierto que el enfoque experimental de la enseñanza de las ciencias naturales requiere una base metodológica que permita la formulación de tales experimentos, de forma que el docente pueda encaminar al estudiante por un proceso de descubrimiento.

Por consiguiente, los trabajos prácticos o experimentales son actividades diseñadas para dar a los estudiantes la oportunidad de acercarse al trabajo que realizan los científicos en la resolución de problemas, que pueden ser investigaciones teóricas y/o prácticas (Albadalejo y Caamaño, 1992, pp. 95-157), en el que los estudiantes siguen un procedimiento con el fin de demostrar, corroborar y convencerse de una teoría o ley científica.

Simuladores y laboratorios virtuales en la enseñanza de las ciencias naturales

El uso de las TIC en la enseñanza abre un abanico de nuevas posibilidades en la utilización de herramientas informáticas que rompen con esquemas tradicionales y revelan nuevas vías pedagógicas sustentadas en la participación activa de los estudiantes, lo que enriquece de manera notable el proceso de enseñanza-aprendizaje (Useda y Castañeda, 2015, p. 126). Uno de estos materiales que hace parte de los cambios históricos impuesto por la evolución tecnológica, que ha influido significativamente no solo en educación sino también en otros sectores como la medicina, la economía, la ingeniería, entre otras, es el uso y la implementación de los simuladores.

Los simuladores utilizados en educación se definen como "programas que tienen un modelo de algún aspecto del mundo y que permite al estudiante cambiar algunos parámetros o variables de entrada, ejecutar o correr el modelo y desplegar los resultados" (Escamilla, 2000, citado de Contreras y Carreño, 2012, p. 108). Para Narváez (2015, p. 29), "los simuladores son herramientas que llevan a los estudiantes a imitar un contexto real, estableciendo en ese ambiente situaciones problemáticas o reproductivas, similares a las que él deberá enfrentar".

Su uso en la enseñanza de las ciencias naturales, en especial, de la química, permite además de un cambio de ambiente, mejorar y complementar la enseñanza y aprendizaje de los conceptos químicos en los que los estudiantes han presentado problemas para comprender. Debido a que los simuladores permiten la modelación de prácticas científicas, han logrado una gran adaptabilidad a los espacios destinados a la experimentación en el ámbito educativo, dando lugar a laboratorios virtuales de aprendizaje. Según Cataldi, Donnamaría y Lage (2008, p. 7), este medio tecnológico facilita la tarea de involucrar a estudiantes y profesores en el método científico, convirtiendo al trabajo de laboratorio y sus precauciones por accidentes, en una opción de aprendizaje en donde el alumno puede equivocarse y repetir la actividad con una inversión baja. Para Rodríguez, Mayén, Rodríguez y Ruiz (2013), los laboratorios virtuales también se pueden utilizar como medio de preparación para adquirir o fortalecer las habilidades, destrezas y conocimientos básicos, seguir con el buen uso de las clases prácticas y evaluar las habilidades que se deben de tener en un laboratorio real.

Contexto educativo y población

La estrategia didáctica se aplica en la Institución Educativa San Lorenzo ubicada en el municipio de Suaza. El colegio hace parte del organismo pedagógico oficial de la Secretaría de Educación del departamento del Huila. La población de este estudio está compuesta por estudiantes de los grados décimos, en los que la mayoría de jóvenes se establecen en el primer y segundo estrato socioeconómico. Para su ejecución se tienen en cuenta dos grupos que son la base para analizar el efecto de la propuesta. En el primero, con censo estudiantil de 36 estudiantes del grado 10A, se realizan clases con la aplicación de trabajos experimentales, este se designa como GTE. En el segundo, con una población estudiantil de 26 jóvenes del grado 10B, se ejecuta una propuesta basada en el uso de prácticas de simulación a través del software "virtual LabCin", esta sección es denominada gps. En ambos grupos se trabaja el mismo tema, utilizando una metodología basada en los criterios del aprendizaje activo.

Desarrollo de la investigación

El marco metodológico se fundamenta en cuatro fases principales (tabla 1), durante las cuales se proponen los instrumentos, se desarrollan las actividades y se recolecta la información necesaria para el análisis y el cumplimiento de los objetivos descritos.

Tabla 1: Etapas del estudio.

Fuente: elaboración propia.

Fase de planificación

• Documentación bibliográfica: esta primera actividad consiste en una considerable revisión bibliográfica, a fin de originar los diferentes marcos que componen este trabajo: el marco teórico disciplinar, epistemológico y el marco metodológico que provee los diferentes procedimientos investigativos. Esta etapa es constante en todo el proceso y se actualiza durante la última fase.

• Realización del test: con el propósito de determinar el conocimiento que los alumnos tenían acerca de los conceptos seleccionados antes y después de aplicar la estrategia didáctica, se construye un test con 14 preguntas de selección múltiple con única respuesta. Para su realización se tiene como referencia el trabajo de investigación de Cakmakci y Aydogdu (2011), el cuestionario de Huamán (2014), el banco de preguntas de química del Icfes y conocimientos propios del tema.

• Diseño y desarrollo del simulador Virtual LabCin: este laboratorio virtual de cinética química es un software de creación propia desarrollado en la plataforma Unity3D, que funciona principalmente como motor de videojuegos, sin embargo, su completo contenido de herramientas de animación en 2D y 3D también permite la creación de simuladores. Su programación se fundamenta en la implementación del código .NET Framework a través del lenguaje C#.

• El simulador cuenta con una interfaz que le permite al usuario disponer de materiales, instrumentos, reactivos y de los procedimientos -basados en la metodología del aprendizaje activo- que se deben de tener en cuenta para la ejecución de los experimentos. Por el momento, el programa se puede utilizar en ordenadores y tabletas con el sistema operativo Windows.

• Realización de manuales de práctica y simulación: teniendo como base la metodología del aprendizaje activo, se construyen cinco guías para las actividades de experimentación y uso del laboratorio virtual, nombradas como manuales de prácticas y manuales de simulación.

• Los manuales de práctica y simulación están establecidos por cinco experimentos, en donde se permite identificar los conceptos de los factores que modifican la velocidad de una reacción química.

• Validación de los instrumentos: para garantizar que los instrumentos utilizados respondan a los objetivos de la investigación, establecer que estos sean considerados idóneos y se puedan utilizar con toda confianza, se hace necesario su validación. Esta determina el grado de confiabilidad y validez de los instrumentos (González, 2008, citado por Bojórquez, López, Hernández y Jiménez, 2013, p. 2).

• La confiabilidad se comprueba a través del método estadístico alfa de Cronbach, que es el promedio de las correlaciones entre los ítems que hacen parte de un instrumento (Streiner, 2003, citado por Oviedo y Campo, 2005) y la validez se realiza a través de la valoración de investigadores y expertos, en este caso, docentes y profesionales del campo de la química. Esta evaluación se analiza a través del índice de Bellack y el coeficiente de validez V de Aiken, que permiten cuantificar el acuerdo entre jueces.

• Utilización de escenarios y plataformas tecnológicas de enseñanza y aprendizaje: para propiciar el adecuado desarrollo de las actividades de experimentación y simulación, se dispuso de algunos espacios físicos y virtuales, que permitieron establecer las condiciones apropiadas para la enseñanza y aprendizaje de los conceptos seleccionados.

• En los escenarios físicos se utilizaron las aulas o salones de las dos poblaciones de estudio, el laboratorio de química y la sala de bilingüismo del colegio, que dispone de computadoras. Por otra parte, el ambiente virtual se creó mediante el uso de las tecnologías de la información y la comunicación (Tic), en donde se usan computadoras, tabletas, video beam y se emplea el software informático para la enseñanza de conceptos de cinética química, Virtual LabCin. Igualmente, se utiliza la plataforma virtual Génesis YLE, la cual permite administrar y compartir toda clase de archivos a las computadoras de los estudiantes desde un solo ordenador, de tal forma que toda la información queda al alcance de ellos.

Fases de ejecución y observación

Reconocimiento de ideas previas e introducción (aplicación del pretest): esta actividad inicia con un ejercicio de diagnóstico, empleando como instrumento de indagación de ideas previas, la aplicación del pretest. Este se aplica de forma física para el grupo de trabajo experimental (GTE), y de forma virtual para el grupo de prácticas de simulación (GPS), a través de la plataforma Génesis VLE. Los resultados del pretest son tabulados, analizados y evaluados para determinar el conocimiento del alumno sobre los conceptos de los factores que afectan la velocidad de las reacciones. También, la prueba de diagnóstico tiene el objetivo de comparar el nivel de los estudiantes de ambos grupos antes de aplicar las actividades de la estrategia, para medir si son iguales o hay diferencias entre ellos que puedan incidir en los resultados.

Desarrollo de actividades experimentales y uso del simulador Virtual LabCin: la dinámica de las clases, tanto para el grupo de trabajo experimental como para el grupo en donde se utilizó el simulador, está guiada respectivamente por los cinco manuales de prácticas y de simulación, en donde el docente y los estudiantes siguen cada uno de los pasos (tabla 2) que caracterizan a las clases teóricas demostrativas y las actividades interactivas del aprendizaje activo (adaptado de Sokoloff, 2006, p. 5). Esta guía de acción es un complemento a la metodología establecida en el proyecto "Active Learning in Optics and Photonics-ALOP" patrocinado por la Unesco (Alarcón et al., s. f.).

Tabla 2: Pasos para las clases teóricas demostrativas y actividades interactivas del aprendizaje activo.

Fuente: elaboración propia.

Aplicación de la prueba final (postest): finalmente, se evalúa el desempeño de los dos grupos y el conocimiento adquirido en el desarrollo de la estrategia didáctica por medio de un postest, que consta de las mismas preguntas establecidas en la primera prueba, con el objetivo de valorar todo un proceso.

Fase de reflexión

Con el propósito de dar respuestas puntuales a la problemática de enseñanza y aprendizaje de los conceptos de cinética química, se hace necesario establecer una fase de reflexión que permita evaluar los resultados establecidos antes, durante y después del desarrollo de la estrategia didáctica. Es importante reconocer también que una buena forma de valorar la práctica del docente, en este caso, en la enseñanza de los contenidos establecidos, es a través de la evaluación del desempeño de los estudiantes y de los resultados que arrojaron las pruebas presentadas. Esta última fase incluye el análisis general de la propuesta y las conclusiones.

Plan de análisis

El análisis de los datos se hace en su gran mayoría de manera descriptiva, utilizando la comparación de los resultados del pre y postest que presentan los estudiantes de los dos grupos. Para ello se emplean tres métodos principales. El primero se basa en utilizar la interpretación de gráficas porcentuales de los resultados del pre y postest de cada ítem de las pruebas para los dos grupos. También se establece una escala de valoración que permite estimar el desempeño y la competencia obtenida por los estudiantes en el pre/postest teniendo en cuenta el puntaje obtenido en el rango de 0 a 5. De esta manera, se realiza la comparación de los grupos de acuerdo con el nivel de logro alcanzado. Finalmente, se hace uso del método estadístico de diagramas de cajas y bigotes para analizar la simetría, dispersión, la tendencia central de los valores obtenidos en las pruebas de los dos grupos, y además poder comparar los resultados del pretest con los de la prueba final.

Fase de planificación

La fase de planificación incluye las actividades de diseño y elaboración de los instrumentos para el desarrollo de la estrategia didáctica y los aspectos relacionados con la etapa de validación.

La validación se hace de los tres instrumentos (test de ideas previas, los cinco manuales de prácticas-simulación y el software o laboratorio virtual) que fueron diseñados para la recolección de datos y el cumplimiento de los objetivos de la investigación.

Para el cuestionario se realiza la aplicación de la prueba piloto en el grado décimo "C" teniendo en cuenta que este grupo tiene características similares a las de las poblaciones de estudio. Se realiza el análisis estadístico a través de alfa de Cronbach de las apreciaciones hechas por los estudiantes para cada pregunta, al igual que la evaluación del test por expertos por medio del índice de Bellack y del coeficiente de validez V de Aiken, indicando que este instrumento es confiable y válido, y además permite la consecución de los objetivos de la investigación. Sin embargo, el cuestionario es sometido a una reestructuración atendiendo a las sugerencias y recomendaciones de los estudiantes y jueces que evaluaron este instrumento.

Por su parte, los talleres utilizados para realizar las clases teóricas demostrativas y las actividades interactivas del aprendizaje activo de forma práctica y simulada fueron evaluados por jueces expertos (docentes de química). Este juicio manifiesta algunas observaciones referentes a la redacción y orden de acuerdo con el proceso que identifica el aprendizaje activo, no obstante, se determina la aprobación y aplicación del instrumento, a través de los métodos estadísticos de validación.

El laboratorio virtual fue sometido al juicio de cuatro expertos (docentes de ciencias, ingenieros y químicos), seleccionados por su conocimiento en la temática y de las características del instrumento. En total se hicieron catorce modificaciones al lenguaje de programación del laboratorio virtual atendiendo a las observaciones de los jueces y a su previa ejecución. Por consiguiente, se tomaron todas las medidas pertinentes para la reestructuración del programa, con el objetivo de brindarle confiabilidad y validez al instrumento.

Fases de ejecución y observación

Estas dos fases incluyen las actividades de reconocimiento de ideas previas, introducción a la temática, el desarrollo de los talleres de experimentación y simulación, y la aplicación de la prueba final.

Análisis del pretest considerando el nivel de desempeño

La figura 1 muestra los resultados del test de ideas previas teniendo en cuenta el rango de calificación, la distribución de estudiantes en cada uno de estos rangos y el porcentaje establecido para los dos grupos. Según la gráfica, en el GTE el nivel de logro alcanzado fue un poco mayor que el GPS, con una diferencia considerable en el rango 1,1-2 y 2,1-3, de 4,49% y 6,41% respectivamente. Por tanto, los conocimientos previos de la mayoría de estudiantes de los dos grupos están en la escala no satisfactorio, es decir que la comprensión de los conceptos acerca de los factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas y su aplicación en la resolución de problemas es escasa. Por otra parte, se muestra un porcentaje significativo en la escala aceptable, reportando un valor del 33,33% en el GTE y del 26,92% en el GPS, asumiendo que estos estudiantes presentan dificultades para relacionar los conceptos en situaciones problémicas.

Figura 1: Relación entre el porcentaje y las calificaciones obtenidas por los dos grupos en el pretest.

Fuente: elaboración propia.

Análisis del postest considerando el nivel de desempeño

En la figura 2 se observa que para los dos grupos hay un aumento considerable de estudiantes agrupados en los rangos 3,1-4 y 4,1-5, que en los resultados del test de ideas previas no disponía de datos, pues los alumnos se incluían en los niveles inferiores. Sin embargo, para esta prueba, en el GTE el nivel de logro alcanzado es ligeramente superior que el GPS -con una diferencia de 0,3 con respecto a la media-, debido a que se evidencia un menor porcentaje de estudiantes en el rango reprobatorio 2,1-3 y se consigue un mayor incremento en las categorías superiores de aprobación. Por consiguiente, el nivel de conocimiento de la mayoría de estudiantes del GTE (52,78%) está en la escala satisfactoria, es decir que comprenden los conceptos acerca de los factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas, pero tienden a confundirse cuando los aplican en un problema; mientras que en el GPS, con un 53,85% se dispone en la escala aceptable, asumiendo que estos estudiantes presentan dificultades para relacionar los conceptos en situaciones problémicas. También es importante considerar el hecho de que en el GPS no hay alumnos en los rangos inferiores, no obstante, en el grupo GTE se dispone de un porcentaje mínimo de 5,56% (dos estudiantes) en el nivel no satisfactorio.

Figura 2: Relación entre el porcentaje y las calificaciones obtenidas por los dos grupos en el postest.

Fuente: elaboración propia.

Análisis del pre/postest considerando la distribución de los resultados

La figura 3 presenta información acerca de la tendencia central, simetría y dispersión de las respuestas del pretest y postest de los dos grupos.

Figura 3: Distribución de resultados del pre/postest de los dos grupos.

Fuente: elaboración propia.

Los diagramas de cajas y bigotes del pretest permiten identificar en forma general dos aspectos importantes para las dos secciones que participan en esta investigación (GTE y GPS). El primer aspecto es que los grupos presentan ideas ingenuas sobre el concepto de cinética química, debido a que ningún estudiante obtuvo un resultado de más del 60% favorable, pues de catorce preguntas el máximo puntaje para el GTE fue de siete respuestas correctas y en el GPS fue de ocho; además, hay estudiantes con puntajes muy bajos, en donde solo se responde correctamente una sola pregunta como es el caso del GTE, e incluso la existencia de un puntaje de cero para un estudiante del otro grupo. Como segundo aspecto se tiene que los grupos son relativamente homogéneos debido a que el rango intercuartílico del GTE es de 2 y el de GPS es de 2,75, sin embargo, en este último grupo hay una dispersión particular en aquellos que están por encima de la media (asimetría = -0,625). Todo lo anterior trae como conclusión que la respectiva estrategia didáctica que se aplica a los dos grupos es pertinente para comparar el grado de eficiencia de cada una de ellas, ya que se parte del hecho de que son grupos similares y con ideas ingenuas sobre el concepto de cinética química; por lo tanto el postest sería un buen indicador para comparar cuál es la versión de la estrategia didáctica que mejor se adapta para el aprendizaje de dichos conceptos.

Por su parte los diagramas del postest se ubican más hacia la parte superior en relación con el pretest, esto quiere decir que los resultados obtenidos en la prueba final son significativos y, por consiguiente, la estrategia aplicada tiene un impacto positivo en el aprendizaje de los estudiantes.

Fase de reflexión