Metamodelización en un aula de física universitaria: visiones del estudiantado sobre los modelos científicos

Enfoque

El paradigma que orientó la investigación fue interpretativo y procuró comprender un aspecto concreto de la realidad educativa a través de significados propios de los estudiantes universitarios. Para ello, se investigaron las percepciones, intenciones y acciones de los sujetos participantes, plasmadas en textos escritos y discurso oral. El estudio se realizó desde un enfoque cualitativo, cuyo desarrollo permitió "obtener una comprensión profunda de los significados y definiciones de la situación tal cual nos la presentan las personas" (Salgado-Lévano, 2007, p. 71) en torno a la idea de modelo científico.

Participantes

Aceptaron participar 24 estudiantes (3 mujeres y 21 hombres), de entre 17 y 20 años de edad, que estaban matriculados en la asignatura de Física Mecánica de los programas de Ingeniería Electrónica y Electromecánica de la Universidad Francisco de Paula Santander (UFPS), sede Cúcuta, en Colombia.

Recolección de la información

La información se recolectó a través del diseño e implementación de una secuencia didáctica (SD) organizada desde la perspectiva de los modelos, la modelización y la metamodelización. La estuvo compuesta por diez actividades didácticas, pero para este reporte se toma únicamente una de esas diez actividades, cuya intención fue que el alumnado participante reflexionara sobre la naturaleza e importancia de los modelos científicos en la ACEU. Una vez concluida la actividad didáctica que aquí se analiza, se realizaron entrevistas que contaron con el consentimiento informado de los participantes. Dichas entrevistas estaban enfocadas en las categorías de la meta-modelización (naturaleza de los modelos y propósitos de los modelos) y fueron validadas en un grupo de discusión conformado por profesores especialistas en metodología de la investigación y didáctica de las ciencias.

Como resultado de la validación del instrumento, los evaluadores recomendaron realizar dos tipos de entrevistas, una para cada categoría de la metamodelización. Con el material recolectado -escrito, gráfico y oral- se llevó a cabo una "comparación constante" (hasta saturación) de las ideas de los estudiantes que permitió la construcción de las categorías y subcategorías (Varela y Sutton, 2021).

Planteamiento del estudio

La intervención de aula se desarrolló en cuatro fases:

1) Exploración de las ideas iniciales de los estudiantes sobre la noción de modelo científico (MC): en esta fase se solicitó a los estudiantes completar de manera individual un mapa mental (figura 3), escribiendo o dibujando lo primero que viniera a su mente sobre la idea de Posteriormente, los estudiantes se organizaron en grupos con la finalidad de socializar, comparar y revisar los mapas mentales construidos de manera individual, y responder la siguiente pregunta: ¿qué entienden o saben acerca de lo que es un modelo científico?

Figura 3: Formato estándar del mapa mental de ideas iniciales de los estudiantes

Fuente: mapa elaborado por uno de los participantes.

2) Implementación del artefacto didáctico: al terminar de elaborar el texto grupal, los mismos grupos realizaron la lectura "Ideas sobre los modelos científicos". Este material fue diseñado ex profeso para ayudar a comprender la naturaleza de los modelos, su importancia y sus propósitos en la ciencia. El docente a cargo planteó, a modo de conclusiones, distintos aspectos centrales de la idea de modelo desde una perspectiva semántica (figura 4). A continuación, analizó junto con los estudiantes algunos modelos como el geocéntrico propuesto por Ptolomeo, el modelo heliocéntrico propuesto por Copérnico, el modelo atómico de Bohr y el modelo del péndulo simple. Esta actividad propició que reflexionaran y utilizaran explícitamente esas categorías teóricas.

Figura 4: Puntos centrales de la visión semántica de los modelos científicos

Fuente: elaboración propia.

3) Ajuste de los mapas mentales construidos inicialmente: en esta fase, los estudiantes, a partir de la información proporcionada por la lectura y las conclusiones, producto del análisis al que se llegó junto con el docente, se dispusieron de forma individual a revisar, ajustar y reconstruir los mapas mentales de MC (figura 5). A través de ellos, expresaron sus ideas sobre el MC, en virtud de su naturaleza y propósitos. Posteriormente, se realizó una discusión plenaria para compartir ideas, aclarar dudas y revisar los modelos.

Figura 5: Ejemplo de ajuste del mapa mental construido inicialmente

Fuente: mapa elaborado por uno de los participantes.

4) Realización de entrevistas: sobre los mapas mentales ajustados se realizaron entrevistas semiestructuradas a todos los participantes, con la intención de profundizar y aclarar las ideas expresadas por ellos en sus producciones escritas, particularmente sobre el propósito de los modelos y el uso de los modelos científicos en el aula.

Con la información obtenida se procedió al análisis de contenido, que se desarrolló en tres etapas relacionadas. La primera, de reducción de datos, implicó organizarlos y categorizarlos a partir de las ideas iniciales y finales de los estudiantes, apuntando a la construcción de un sistema de categorías y subcategorías. En la segunda, se formalizaron las interpretaciones que permitieron establecer conclusiones teóricas de esta primera parte de la investigación. En la tercera, se transcribieron y analizaron con detalle las entrevistas realizadas, buscando obtener una interpretación plausible de lo que piensa el estudiantado sobre los modelos científicos.

Los textos escritos y orales codificados fueron sujetos a análisis iterativos, con el método comparativo constante, hasta que el equipo de investigadores estuvo de acuerdo en sus interpretaciones independientes del material.

Análisis de las ideas iniciales de los estudiantes sobre el modelo científico

Las ideas iniciales se agruparon en tres categorías: naturaleza de los modelos como un método de investigación(NMM) naturaleza de los modelos como representaciones y propósitos de los modelos -aplicación y utilidad- (PM-AU). La figura 6 presenta estas tres categorías con sus subcategorías respectivas antes de la intervención didáctica(ID).

Figura 6: Categorías y subcategorías sobre el concepto de modelo científico antes de la ID

Fuente: elaboración propia.

La categoría de NMM hace referencia al procedimiento o a los pasos que los estudiantes consideran se deben seguir para llevar a cabo una investigación científica que usa modelos. Esta categoría tiene cuatro subcategorías: instrucciones, estructura, procedimiento y proceso. Así, se observa que algunos participantes piensan que trabajar con modelos científicos es seguir un conjunto preciso de instrucciones, pasos o reglas: "[Un MC] son instrucciones para llevar a cabo en una investigación" (E5-I). Otros expresan que un modelo científico es una estructura de conceptos coherentes enlazados entre sí, tal como lo expone este estudiante (E23-I): "[Un MC es] un planteamiento estructurado de conceptos". Hay quienes manifiestan que un modelo científico es una forma o manera específica de llevar a cabo una investigación: "[Un Mc es] un procedimiento a seguir en la investigación" (E2-I). También los hay quienes opinan que el MC se identifica con un proceso realizado para conseguir un fin determinado: "[Un MC es] un proceso adecuado para investigar" (E21-I).

De la información suministrada por los alumnos universitarios, se destaca que, inicialmente, 18 de 24 participantes piensan que el MC es esencialmente el conjunto de pasos a seguir para obtener nuevos conocimientos -método científico-. Asimismo, manifiestan que el uso de un MC cumple con ciertas reglas y sigue unos estándares o pasos en la investigación. En sus ideas iniciales, estos estudiantes confunden el modelo científico con el propio método científico; algo similar se reporta en Windschitl et al. (2008).

La segunda categoría que surgió es la de NMR. Esta implica concebir el modelo como medio para dar a conocer una idea a otra persona, por medio de palabras, imágenes o signos. En esta categoría se encontraron dos subcategorías: reproducir e interpretar. Algunos estudiantes señalaron que un modelo se reduce prácticamente a una copia de un fenómeno: "[Un MC es] una manera de reproducir un fenómeno físico" (E17-I). Para otros, "[un MC es] una interpretación de un fenómeno" (E5-I), suponiendo así que el modelo nace para explicar el sentido del fenómeno.

Un grupo relativamente pequeño de estudiantes (6 de 24) se sitúa muy cerca de lo manifestado por Gilbert et al. (2000). Ellos expresan que un modelo es una representación de un fenómeno, proceso o sistema, creado con una intención específica -recuérdese que esta definición, de matriz bungeana, es restringida-. Entonces, se puede constatar que, aunque existen estudiantes que reconocen finalidades canónicas a los modelos en la ciencia (Treagust et al., 2007), la mayor parte del grupo no llega a estos cursos con una formación sobre lo que "son los modelos, sus características, sus funciones y limitaciones" (Raviolo et al., 2010, p. 593).

La última categoría analizada, PM-Au, hace referencia a cómo los modelos se usan en la actividad científica. Esta categoría se divide en cuatro subcategorías: simulación, recolección, utilidad y práctica. Algunos participantes afirman que un MC funciona por ser semejante al fenómeno que se quiere estudiar: "[Un MC es] una simulación de la realidad" (E4-I). Para otros, un modelo se usa para reunir o recoger una determinada información: "[Un MC] sirve para recolectar información científica" (E2-I). La mayoría entiende que un modelo se emplea para ser aplicado a fenómenos naturales: "[Un MC] se usa para ser aplicado en fenómenos científicos" (E15-I). En este apartado es común el solapamiento con las categorías anteriores, sobre todo con la primera: "[Un MC es] una práctica para entender mejor el fenómeno físico" (E21-I).

De los datos obtenidos, se infiere que los estudiantes universitarios de ingeniería con los que trabajamos saben que los modelos científicos se usan para estudiar fenómenos físicos y químicos, obtener datos experimentales, especificar lo que dicen las leyes físicas, observar y sacar conclusiones. Sin embargo, no parecen comprender que los modelos científicos se usan para ejemplificar, explicar y representar fenómenos, como lo plantea Schwarz et al. (2009).

Una vez finalizado el proceso de recolección de las ideas iniciales de los 24 participantes sobre MC, se conformaron siete grupos de trabajo -de 2 a 4 estudiantes por grupo- con la finalidad de socializar los mapas mentales construidos previamente y de responder una pregunta abierta: ¿qué entienden o saben acerca de lo que es un modelo científico? Los argumentos obtenidos de las discusiones grupales se codificaron con la letra G y un número, seguido de la letra I, para indicar que son ideas iniciales del estudiantado. Nuevamente, se procedió a un análisis cualitativo del material obtenido.

Al examinar las respuestas de los grupos de trabajo, se encuentra que muchos estudiantes todavía confunden el modelo científico con el método científico: "Los modelos científicos son esos modelos o pasos a seguir para comprobar, rectificar y analizar los fenómenos del universo" (G1-I); "Un MC es aquel que se basa en investigar hechos que siguen una serie de pasos establecidos de acuerdo al tipo de investigación" (G3-I).

Por otra parte, dos grupos de trabajo entienden el MC como una representación de un fenómeno: "El MC es una forma de representar un fenómeno" (G2-I) y "un MC es una representación abstracta que nos permite describir, explicar y predecir fenómenos o problemas naturales" (G6-I). Los estudiantes del primero de estos grupos (G2) no aciertan con una respuesta elaborada, solo producen una mera identificación. Las ideas del segundo grupo (G6), en cambio, son mucho más elaboradas y encajan en el marco semántico propuesto por Giere (2004). En efecto, estas ideas están muy próximas a la formulación giereana de modelo planteada por Meinardi et al. (2002), que lo definen como "una representación abstracta (externa) de un recorte teórico de la realidad, de aquello que pretendemos describir y explicar" (p. 17).

Se encontraron también grupos de trabajo que atribuyen al MC ciertas aplicaciones o usos. Por ejemplo, el grupo G5-I solo contempla una función: "[Un MC se usa] para ser aplicado en fenómenos físicos o científicos, principalmente en el área de la física". Otro grupo logra relacionar varias aplicaciones: "[Un MC científico nos permite] obtener datos o medidas exactas mediante los procesos de observación, análisis, hipótesis y experimentación" (G4-I). En esta primera parte de la actividad didáctica se observa que, a pesar de que los estudiantes socializan ideas productivas de lo que es un MC, aún siguen muy distantes de la conceptualización recomendada desde la didáctica de las ciencias.

En resumen, las ideas iniciales del alumnado sobre MC giran alrededor de la organización (formal) de la investigación; la comprensión que ellos tienen de la naturaleza y uso de modelos se restringe a tareas estereotipadas como recolectar información para detallar un fenómeno. Un número bajo de estudiantes identifica la modelización con la representación del mundo y ninguno se enfoca en la posibilidad que dan los modelos de analizar puntos de vista diferentes sobre un fenómeno para argumentar sobre él. En nuestra población de análisis, los estudiantes universitarios no conocen concepciones de modelo epistemológicamente robustas, que sean más fructíferas para el trabajo en el aula; consecuentemente, estas deben ser enseñadas intencionadamente.

Al comparar el sistema categorial proveniente de las ideas iniciales de los estudiantes sobre modelo científico (figura 6) con el sistema categorial propuesto en la tabla 1, se encontró que la categoría naturaleza de los modelos como método de investigación no aparece en los postulados planteados por Schwarz et al. (2009). Este hecho llama la atención dado que es un grupo mayoritario de estudiantes (18 de 24) los que asocian o confunden la idea de modelo científico con la de método científico.

Análisis de las ideas finales de los estudiantes sobre el modelo científico

Lo que llamamos aquí ideas finales de los estudiantes sobre la naturaleza y función de los modelos es el resultado de una progresión gradual que va desde sus ideas iniciales hasta nuevas concepciones, informadas por la interacción social con sus pares, el contacto con el texto académico proporcionado y las ayudas ofrecidas por el docente, que constituyen los tres tipos de contribuciones de la intervención didáctica.

En esta fase de la intervención en el aula, los 24 estudiantes, de manera individual, revisan y ajustan sus mapas mentales iniciales sobre la idea de modelo científico y responden explícitamente a la pregunta: ¿qué ha cambiado en estos mapas mentales ajustados respecto a los primeros y por qué? Al analizar las nuevas ideas recogidas, se puede establecer que estas son más completas, detalladas, robustas y coherentes que las iniciales, y progresivamente más consistentes con la visión semántica sostenida desde la didáctica de las ciencias.

Agrupamos estas ideas finales sobre el en dos categorías, basadas en la concepción de metamodelización de Schwarz et al. (2009): naturaleza de los modelos (NM) y propósitos de los modelos (PM). En la figura 7 se pueden apreciar las categorías y subcategorías elaboradas.

Figura 7: Categorías y subcategorías sobre el concepto de modelo científico después de la ID

Fuente: elaboración propia a partir de la propuesta de Schwarz et al. (2009).

La categoría hace referencia a lo que es y cómo surge un modelo científico. Aquí aparecen dos subcategorías cercanas a las enunciadas en el trabajo original que seguimos (Schwarz et al., 2009). En la primera, los estudiantes describen los modelos como un modo de representación de fenómenos: "[Un ] es una representación simplificada de un proceso o fenómeno" (E7-F). Así, intentan separar el modelo de la realidad misma, lo cual es un punto central en el progreso hacia una concepción más robusta (Chamizo, 2006; Adúriz-Bravo e Izquierdo Aymerich, 2009; Acevedo-Díaz et al., 2017). En la segunda subcategoría, los estudiantes identifican los modelos con representaciones de procesos y características del mundo real: "[Un ] es una representación abstracta, conceptual, gráfica o visual [de un fenómeno]" (E20-F) y "[Un ] expresa ideas simples para su conceptualización" (E21-F). Estos resultados, en los que ya aparecen la abstracción y el componente conceptual, son consistentes con lo expresado por varios autores del campo (Oh y Oh, 2011; Pérez et al., 2018).

En la categoría de PM hemos construido tres subcategorías. En la primera, los modelos se entienden como herramientas útiles para construir conocimiento: "[Un ] es una herramienta para investigar un tema" (E2-F) y "[Un ] es una forma de investigar y construir conocimiento" (E22-F). Estas ideas son congruentes con lo expuesto por Rosária Justi (2006) y Raviolo et al. (2010), quienes señalan que los modelos se elaboran en el ámbito de la ciencia con el fin de producir conocimiento. Según estos autores, los modelos permiten expresar de manera clara y concisa preguntas de interés científico y ofrecer respuestas más críticas y razonables a dichas preguntas.

La segunda subcategoría se refiere al uso de los modelos científicos para ilustrar, explicar y predecir fenómenos. Varios estudiantes avanzan en esta línea, aunque sus formulaciones aún son tímidas y marcadamente tradicionales: "[Con un ] las entidades se pueden describir, explicar y predecir" (E20-F) y "[Un ] sirve para describir, explicar y predecir resultados" (E23-F). Aunque estas formulaciones son fructíferas, se quedan cortas desde una concepción semántica de modelo, evidenciando la influencia del texto proporcionado a los estudiantes, que reforzó principalmente estos aspectos. Todavía están ausentes los usos relacionados con revisar y evaluar diferentes modelos para aumentar su poder explicativo.

La tercera y última subcategoría, que considera al Mc como una herramienta de comunicación, aparece en el discurso de varios estudiantes: "[Un ] sirve para comprender y transmitir conocimiento" (E1-F), "[Un ] nos ayuda a describir fenómenos presentados" (E2-F) y "[Un ] es una construcción humana para transmitir conocimiento" (E19-F). Schwarz y et al. (2009) destacan que un Mc sirve para que los alumnos compartan o comuniquen sus ideas con otros, con el fin de comprender el fenómeno natural que están examinando y tratar de persuadir a sus compañeros de su pertinencia. Que nuestros estudiantes puedan identificar esta capacidad de los modelos en la ciencia es un paso auspicioso para que se comprometan de manera más efectiva con la actividad científica escolar y universitaria.

Para cerrar esta fase de la intervención didáctica (ID), los estudiantes se organizan nuevamente en siete grupos con la finalidad de responder una pregunta abierta, lo que permitió indagar sobre las percepciones del estudiantado respecto a por qué sus mapas mentales tuvieron que cambiar a lo largo de la actividad didáctica. El grupo G1 entiende que el mapa inicial era insatisfactorio "por desconocimiento del tema, falta de claridad en la conceptualización sobre modelos científicos y desconocer su aplicación en los diferentes campos de la ciencia". De manera similar, el grupo G5 responde que "por no conocer las propiedades del tema". Los integrantes del grupo G7, en cambio, dan una respuesta trivial, pero reconociendo que no tenían una noción correcta del modelo: "porque inicialmente no sabíamos claramente qué era el concepto".

El contraste entre las ideas iniciales y las finales nos permite postular, con evidencias que apoyan tal postulación, la existencia de ganancias conceptuales tras, y muy probablemente a causa de, el proceso de metamodelización llevado a cabo. Algunos estudiantes comienzan a incorporar ideas construidas por la filosofía de la ciencia del último cuarto del siglo XX en torno a la naturaleza y propósitos de los modelos, aunque aún queda mucho camino por recorrer.

Al analizar los resultados del segundo trabajo grupal, pudimos observar que surgieron dos nuevas subcategorías -emergentes- en la categoría de NM. La primera de ellas es que los modelos científicos sufren modificaciones y experimentan cambios que, a su vez, conducen a mejoras en la comprensión de los fenómenos bajo estudio, una idea sostenida en Oh y Oh (2011), Adúriz-Bravo (2012), y Bravo Torija y Mateo González (2017). Esto fue expresado por dos de los grupos: "Los modelos científicos tienen como objetivo proporcionarnos una mejor idea y entendimiento sobre un fenómeno determinado, el cual puede ser modificado con el tiempo" (G1), y "El fin del Mc es modelar algo a escala para que sea lo más parecido a la realidad; estos modelos pueden ir cambiando para adoptar nuevas ideas y asimilarse más a algo real" (G3).

La segunda subcategoría emergente que aparece después de la actividad de metareflexión es que existen múltiples maneras de representar un fenómeno-diagramas, esquemas, modelos a escala o maquetas, simulaciones, textos, etcétera-, también ampliamente discutida en la literatura didáctica (Chamizo, 2006; Treagust et al., 2007; Schwarz et al., 2009; Adúriz-Bravo, 2012; 2013). En esta subcategoría se inscriben expresiones de estudiantes como la siguiente: "[Un ] sirve para explicar o representar un objeto o suceso por medio de gráficas, esquemas, dibujos, textos, ecuaciones matemáticas" (G2). Para la didáctica de las ciencias, la diversidad de maneras en que se puede representar un fenómeno natural al teorizarlo contribuye a que el estudiantado vincule lo usual con lo desconocido, lo sencillo con lo complejo, haciendo un enlace explícito entre el fenómeno observado y una posible descripción científica (Adúriz-Bravo y Sans-Pinillos, 2022).

Al revisar nuevamente las ideas finales de los estudiantes sobre el modelo científico (figura 7) a la luz del sistema categorial planteado inicialmente en la tabla 1, se observa que ya no aparece la categoría naturaleza de los modelos como método de investigación. Esto se debe a las diferentes acciones realizadas durante la intervención didáctica, a la conexión o diálogo entre compañeros -donde alternativamente manifiestan sus ideas-, a la lectura del contenido académico provisto y a su análisis -propuesto por el profesor-. Se nota, pues, la progresión en las visiones de los estudiantes sobre los modelos científicos.

Reflexiones de los estudiantes sobre la metamodelización: las entrevistas

Finalmente, las entrevistas realizadas fortalecieron nuestras interpretaciones de que algunos estudiantes empiezan a adquirir un conocimiento significativo sobre la naturaleza y los propósitos de los modelos a través de su participación en el proceso de metamodelización. En estas entrevistas surgió, aunque todavía tímidamente, una cuarta subcategoría dentro de la categoría de PM: los modelos se utilizan para desarrollar nuevas comprensiones por analogía (Adúriz-Bravo, 2013; Izquierdo Aymerich y Adúriz-Bravo, 2021). Un estudiante comentó: "Los modelos científicos ayudan a organizar ideas, a realizar un análisis objetivo y a comprender mejor el fenómeno en cuestión cada vez que se analice" (E18-E).

En la tabla 2 se muestran algunas ideas expresadas por los estudiantes durante las entrevistas sobre lo que consideran como Mc, a partir de su naturaleza y propósitos. Estas ideas corresponden claramente al sistema categorial propuesto inicialmente en la tabla 1. Entendemos que allí se reflejan los conocimientos de metamodelización construidos a través de la intervención didáctica (ID)

En resumen, antes de la intervención didáctica, los estudiantes universitarios de Ingeniería Electrónica y Electromecánica, matriculados en una asignatura de Física Mecánica, mostraban un conocimiento limitado sobre los modelos científicos. Sin embargo, después de la intervención didáctica (ID), se observó que 16 de 24 estudiantes habían incorporado en su concepción de modelo ideas alineadas con las aceptadas por las comunidades de la filosofía de la ciencia y la didáctica de las ciencias, en cuanto a la naturaleza y los propósitos de los modelos. En la figura 8 se pueden observar las categorías y subcategorías del conocimiento de metamodelización construido a lo largo de la ID.

Figura 8: Categorías y subcategorías de metamodelización sobre el concepto de MC

Fuente: elaboración propia a partir de la propuesta de Schwarz et al. (2009).