El desarrollo de una línea disciplinar para la enseñanza del modelo de presión arterial en la formación del profesorado en biología

Introducción

El trabajo se lleva a cabo en el ámbito de la universidad y en el contexto específico de la formación del Profesorado de Nivel Medio y Superior en Biología (RNMSB). Se desarrolla una línea de investigación que, mediante el diseño, implementación y evaluación de unidades didácticas (UD), permite que los espacios de formación disciplinar en biología que cursan los estudiantes estén informados e intervenidos desde modelos didácticos actualizados, afines a aquellos que los estudiantes construyen en los espacios de formación para la enseñanza de la ciencia (Bahamonde et ál., 2015; Lozano, 2015). Como hipótesis general, sostenemos que los espacios de formación en didáctica de las Ciencias Naturales pueden permear modelos y estrategias de enseñanza hacia la formación biológica (figura 1), retomando y reforzando los modelos biológicos con miras a su enseñanza, haciendo más estables y significativos los aprendizajes vinculados tanto a los modelos científicos disciplinares de la biología como a los modelos didácticos que construyan los estudiantes (Lozano, 2015).

Figura 1: Relación entre la formación en modelos didácticos y la formación disciplinar en Biología por medio de esta investigación.

Fuente: elaboración propia. HTA: hipertensión arterial. PA: presión arterial.

La estructuración teórica general que sostiene el desarrollo de la producción, implementación y evaluación de la unidad didáctica (ÜD) se hace a partir del modelo cognitivo de ciencia escolar (Izquierdo, 2000) el cual propone, como idea básica, que la educación científica debe ofrecer a los estudiantes oportunidades para pensar teóricamente al mundo y para intervenir en él. Este modelo hibrida una vertiente epistemológica, la concepción semántica de las teorías científicas (Giere, 1988) que otorga un lugar central a la producción de modelos teóricos en los procesos de construcción del conocimiento científico, con una vertiente axiológica de la filosofía de las ciencias, desde la cual la ciencia es definida como actividad científica para intervenir en el mundo y esto habilita al análisis de las cuestiones valorativas que pueden atribuírseles a las intervenciones (Echeverría, 1998).

En ese marco teórico, la actividad científica escolar (Izquierdo, 2000; Sanmarti 2002) permite extender las ideas centrales del modelo cognitivo de ciencia escolar al trabajo concreto de diseñar la enseñanza, orientada a la modelización de fenómenos (Gilbert y Justi, 2016a; Bahamonde y Gómez, 2016, Godoy, 2018) y, desde la perspectiva de asuntos sociocientíficos (Zeidler, Sadler, Simmons y Howes, 2005; Bahamonde, 2014) se da lugar a la dimensión práctica de aplicación de dichos modelos a fenómenos de interés de la realidad, abordando problemas significativos para los estudiantes y la sociedad. Además, desde el eje naturaleza de la ciencia, se da lugar al desarrollo de ideas claves metacientíficas que permiten a los estudiantes pensar diferentes temas de epistemología, historia y sociología de las ciencias (Lederman y Lederman, 2014; Adúriz-Bravo, 2005; Gilbert y Justi, 2016b).

Situados en esas coordenadas teóricas, y como aspecto distintivo de la línea de investigación que llevamos a cabo, se destaca el diseño de ÜD que integran un eje disciplinar biológico y un eje metacientífico que se desarrollan simultáneamente en las clases, dando lugar a interacciones significativas entre ambos, que traccionan los procesos de modelización de los estudiantes en ambos ejes (Bahamonde, 2014; Lozano, 2015).

Otro aspecto por destacar es la producción de ÜD en el marco de un ciclo iterativo de diseño-implementación-evaluación y nueva implementación, desde el cual se generan condiciones para un análisis profundo de los dispositivos didácticos (Psillos y Kariotoglou, 2016). Desde esta perspectiva se estructuró el desarrollo de la primera etapa del ciclo de la ÜD (figura 2) y el objetivo de la investigación fue analizar e interpretar los procesos de modelización científica y metacientífica llevados a cabo por los estudiantes durante su desarrollo. En este artículo se presentan los resultados de la implementación de la línea disciplinar biológica, relacionada con el modelo de presión arterial (PA). El diseño completo de la ÜD se muestra en el anexo.

Figura 2: Plano general de la ÜD. En sombreado se indican los aspectos desarrollados en este artículo.

En cuanto al modelo de PA, a desarrollar en el eje disciplinar de la ÜD, se formularon ideas clave (Modell et ál., 2015; Guyton y Hall, 2015; Thibodeau y Patton, 2000), ya que es el modo adoptado para dar cuenta, en proposiciones sencillas, de los aspectos de los modelos que se consideran estructurantes y también significativos respecto del hecho socio-científico abordado (Adúriz Bravo, 2005). A continuación, se esbozan las ideas clave implicadas en la UD:

• Idea clave 1. La presión arterial es la fuerza ejercida por la sangre sobre la pared de las arterias, y es expresada en milímetros de mercurio.

La presión arterial se define como la fuerza ejercida por la sangre contra cualquier área de la pared arterial. Durante la sístole cardíaca la contracción del ventrículo izquierdo eyecta sangre hacia el circuito sistémico y eleva la presión arterial (presión sistólica); cuando termina la contracción ventricular, las dilatadas paredes de las grandes arterias elásticas se relajan pasivamente y permiten que el flujo sanguíneo a las arteriolas sea constante, y la presión decae lentamente y se hace mínima exactamente antes de la nueva contracción ventricular (presión diastólica).

• Idea clave 2. La presión arterial asegura la perfusión tisular y así la homeostasis celular.

La sangre, bombeada por el corazón en la sístole, circula a través de un conjunto de vasos gracias a la diferencia de presión entre la aorta y la aurícula derecha. Esta circulación sistémica provee de oxígeno y nutrientes a cada célula del organismo, retira los desechos metabólicos y permite la comunicación intercelular a fin de mantener la homeostasis. La sangre es distribuida a los distintos tejidos con una presión adecuada que permite el intercambio a nivel capilar hacia cada célula.

• Idea clave 3. La presión arterial, determinada por el flujo de la sangre y la resistencia arterial, está regulada por mecanismos nerviosos y endócrinos que actúan sobre la función cardiovascular y renal.

La PA está regulada por mecanismos nerviosos que actúan rápidamente (segundos) modificado la actividad cardíaca (frecuencia y fuerza) y el radio de las arteriolas (resistencia) por mecanismos reflejos autónomos, y por mecanismos endócrinos a largo plazo (horas y días) que actúan sobre el sistema renal, modificando el sodio y agua a través del sistema renina-angiotensina-aldosterona y vasopresina.

• Idea clave 4. El consumo de sal está determinado por un complejo de aspectos biológicos y culturales, y se correlaciona con alteraciones en la presión arterial.

El consumo de sal se relaciona con aspectos bioculturales ya que es un conservante y uno de los condimentos (dada la capacidad de detección por sensores linguales) más antiguamente empleados por el hombre. Su componente (sodio) es el principal regulador de la osmolaridad del plasma, y tiene impacto en la regulación de la PA.

Metodología

El trabajo se inscribe en el campo de investigación en Didáctica de las Ciencias Naturales (Estany e Izquierdo, 2001) orientado al diseño, implementación y evaluación de unidades didácticas en ciclos iterativos (Psillos y Kariotoglou, 2016), a partir del desarrollo de una serie de actividades orientadas por una tipología abordada en la actividad científica escolar (Sanmarti, 2002). El enfoque metodológico general para la búsqueda y análisis de los datos en el aula -espacio natural en el que se enseña Biología Humana- se inscribe en la tradición cualitativa (Taylor, 2014).

Los testimonios surgen por la intervención de los investigadores durante la aplicación de la ÜD y, a partir de la inducción y de la intervención teórica sobre estos, se realiza la construcción de categorías en la cual se da lugar a las perspectivas de los estudiantes y a los significados que ellos han puesto en juego en las diferentes situaciones propuestas. En la categorización, se considerarán como modelos básicos/iniciales a las producciones de los estudiantes para justificar sus primeras hipótesis, las que pueden ser razonables para explicar el fenómeno, pero basadas en la consideración de niveles de organización no sistémicos (por ejemplo, el celular), o en una descripción limitada de aspectos intervinientes. Las referencias para la categorización podrían encontarse en modelos que los estudiantes aprendieron su formación biológica previa, por ejemplo, en biología celular. La evolución de los modelos se constatará en la producción de versiones más complejas que pueden incluir y brindar nuevos sentidos a los elementos considerados en los modelos iniciales.

Participaron 18 alumnos de tercer año, el total de la clase, organizados en 7 grupos (G1 a G7). El desarrollo completo de la ÜD ocupó el dictado de 6 clases, de 3 a 4 horas reloj, cada una. Los registros de las producciones de los estudiantes para el análisis se hicieron a través de sus modelizaciones gráficas o 3D (maquetas), textos escritos y registros de audio y video de los diálogos en el interior de cada grupo de trabajo, de intercambios con los investigadores y puestas en común. El equipo de investigación está integrado por dos especialistas en Biología, profesoras a cargo de la materia Biología Humana, y por tres especialistas en Enseñanza de las Ciencias a cargo de las materias Pensamiento y Actividad Científica, y Didáctica de las Ciencias Naturales, de la carrera.

Resultados

Se describen los análisis de las etapas de modelización desarrolladas en la línea disciplinar biológica, a partir de una problematización inicial enmarcada en un hecho sociocientífico, que permitió modelizar, en una primera instancia, la acción de la sal sobre el organismo y su relación con la presión arterial. Luego se avanzó en la construcción de modelos desde una perspectiva sistémica para estructurar el fenómeno complejo desde su regulación, y se finalizó con una actividad de aplicación que permitió extender el modelo construido a otras situaciones reales y afianzar la comprensión de este. Se muestran, a modo de ejemplo, las producciones de los grupos G1, G5 y G7.

Modelización inicial

El análisis de las producciones de los grupos a partir de la presentación del problema sociocientífico -mediante el uso de recortes periodísticos relacionados con la promulgación de leyes y reglamentaciones que prohíben la colocación de saleros en restaurantes (actividad 1 en anexo)- permitió evidenciar el interés de los estudiantes que consideraron la medida como adecuada. Las discusiones fueron contextualizadas por los estudiantes en situaciones cotidianas de la vida familiar, implicando los conceptos de prevención y enfermedad, pero en ningún momento explicitaron que fuera un problema que los comprometiera a ellos directamente. Todos los grupos relacionaron el consumo de sal con el sistema renal y el sistema cardiovascular, atendiendo a su relación con la presión arterial y su posible alteración.

Tabla 1: Consignas y resultados de la actividad 1.

Actividad 1. Consignas	Producción registrada
1. ¿Consideran que es una medida adecuada? ¿Por qué?	• "Es una medida adecuada porque pretende reeducar a la sociedad en cuanto al consumo excesivo de sal, el cual es perjudicial para la salud" (G1). • "Consideramos adecuada esta manera de prevenir y concientizar, pero hasta cierto punto, porque las personas se alimentan en sus casas y de todos modos acceden a su gusto a la sal" (G5). • "Indudablemente nos parece importante porque es una medida preventiva que contribuye a concientizar que el consumo excesivo de sal afecta nuestra salud" (G7).
2. ¿Este es un tema de interés en sus familias y/o grupos de amigos? ¿Por qué?	• "En la familia es de interés [...] porque algunos miembros son de consumir los alimentos con bastante sal" (G1). • "Sí, es un tema de interés ya que tienen problemas de salud" (G5). • "Sí, es un tema de interés porque tenemos familiares hipertensos y amigos que consumen alimentos con mucha sal" (G7).
3. ¿Con qué aspecto del funcionamiento de nuestro organismo o de la salud lo relacionan?	• "El consumo excesivo de sal afecta el normal funcionamiento de los riñones, puede provocar problemas en la presión sanguínea y problemas cardíacos" (G1). • "Con aspectos cardiovasculares y renales" (G5). • "Se relaciona con el aparato digestivo, circulatorio y renal" (G7).

Fuente: elaboración propia.

La actividad 2 dio continuidad al proceso de modelización inicial, a través de una situación experimental en la que los estudiantes debían construir hipótesis respecto de qué ocurriría con la PA y el volumen de orina en un grupo de estudiantes voluntarios después de consumir agua y papas fritas. Todos los grupos coincidieron en opinar que tras la ingesta de un litro de agua no se modificaría la PA, hecho que evidenciaron tras la toma de la tensión arterial (TA), y lo explicaron a través de mecanismos regulatorios u homeostáticos, sin detallarlos.

También la coincidencia fue general respecto a proponer un aumento de la PA tras la ingesta de papas fritas, hecho que relacionaron en la mayoría de las explicaciones con cambios secuenciales de aumento de sal en el líquido extracelular, pérdida de agua por las células, aumento de la PA por paso de dicho volumen a la sangre. Sin embargo, esta hipótesis no pudo ser corroborada por parte de los estudiantes tras la toma de la TA en los voluntarios. Respecto a la última consigna de esta actividad, todos los grupos explicaron que la orina de quienes comieron las papas fritas sería menor en volumen y más concentrada; hipótesis argumentada en función de la acción renal que reabsorbe agua para compensar la deshidratación celular producida por el consumo de sal.

Tabla 2: Consignas y resultados de la actividad 2.

Fuente: elaboración propia.

Modelización intermedia y de arribo.

La actividad 5 (las actividades 3 y 4 corresponden a la línea metacientífica; ver anexo) dio lugar a la estructuración del modelo de PA atendiendo a los conceptos vertidos en la actividad 2 y retomando el análisis de la situación experimental. Para ello, se plantearon consignas que permitieron a los estudiantes repensar el concepto de PA y representar con un modelo gráfico cómo se generan los valores de PA registrados durante la experiencia.

Tabla 3: Consignas y resultados de la actividad 5ª.

Fuente: elaboración propia.

Se observa que, al finalizar la actividad, todos los grupos definieron la PA a partir de conceptos físicos, como la fuerza de la sangre sobre la pared de las arterias y vincularon la generación de los valores de la PA con el sistema cardiovascular, ubicando al corazón como la bomba que genera el gradiente de presión. Uno de los grupos integró a su modelo la perfusión de los tejidos a través de los vasos. Los modelos fueron presentados por los estudiantes y la docente realizó el cierre estableciendo las relaciones entre las producciones de los estudiantes y el modelo científico.

En la segunda actividad planteada para la modelización intermedia (actividad 5B) se les propuso desarrollar con un modelo tridimensional los aspectos centrales de la PA y simular un aumento de esta, indicando dónde registrarían el pulso. Aquí apareció como obstáculo que todos los grupos representaron al sistema circulatorio en sus maquetas y no aspectos del modelo de PA.

Luego de un intenso trabajo de discusión sobre lo realizado, uno de los grupos consiguió modelizar en una maqueta un aspecto del modelo solicitado.

Luego se distribuyeron manuales y material bibliográfico para consultar y establecer un diálogo entre las modelizaciones de los grupos, producidas en las actividades de esta etapa, y los modelos científicos. Se hizo una puesta en común y la docente analizó, en conjunto con los estudiantes, las aproximaciones y las inconsistencias de los modelos en la comparación con el modelo científico de PA normal. Al finalizar, y a partir de diversos interrogantes que surgieron sobre el modelo, la docente realizó una intervención teórica que colaboró con la síntesis del concepto de la regulación de la PA.

Con la actividad 7 se retoman los resultados de la experiencia y las hipótesis planteadas por los estudiantes para explicar el efecto de la incorporación de agua o sal al cuerpo, y se contextualizan en el modelo general de regulación planteado al cierre de la actividad 5B.

Tabla 4: Consignas y resultados de la actividad 7.

Actividad 7. Consignas	Producción registrada
1. ¿Cómo creen que "hizo" el organismo para mantener estable la PA ante la ingesta de 1 L de agua o de sal?	• G1. • G5. / • G7. /

Fuente: elaboración propia.

Los diferentes grupos pudieron elaborar un modelo explicativo más complejo acerca de cómo se relacionan la incorporación de agua o sal al cuerpo, la modificación en el medio interno y la respuesta de los sistemas para mantener la PA en rangos normales. En la socialización de los aportes de los diferentes grupos se pudo identificar un nuevo aspecto del modelo: la comprensión del fenómeno de regulación vinculada al sistema excretor incluyendo en todos los casos al riñón como efector de la respuesta. En los modelos presentados por todos los grupos, excepto en uno, se pudieron identificar con distinto grado de desarrollo, mecanismos de control y regulación homeostática básicos y consistentes con el modelo científico de referencia, que integraban principalmente mediadores endócrinos, en contraste con las explicaciones iniciales dadas a nivel celular y a través del proceso de ósmosis.

Actividad de aplicación

En la actividad 9, a modo de actividad de aplicación de los modelos construidos por los estudiantes, se propone trabajar con los prospectos de medicamentos más comúnmente utilizados para el tratamiento de la hipertensión arterial (losartán, hidroclorotiazida, espironolactona, atenolol), estableciendo como consignas el análisis primero, y la construcción de un modelo que explique su mecanismo de acción en segundo lugar. Esto fue trabajado por grupos y cada uno de ellos poseía tres prospectos con mecanismos de acción diferentes. En la tabla 5 se muestran algunas de las producciones de los estudiantes.

Tabla 5: Consignas y resultados actividad 9.

Fuente: elaboración propia.

La totalidad de los grupos formuló producciones que, en general, reflejan la visión integral de la homeostasis en la regulación de la presión arterial y la acción a nivel celular del fármaco, mostrando así que la modificación en la función del trípode célula/órgano/sistema ayuda a mantener la PA dentro de rangos normales.

Actividad de evaluación del modelo desarrollado en la UD

Se planteó a través de la presentación de un modelo tridimensional del mecanismo de acción de uno de los fármacos analizados.

Tabla 6: Producciones presentadas por los estudiantes en la evaluación de la UD.

Fuente: elaboración propia.

Conclusiones

A partir del trabajo desarrollado sostenemos que:

• Fue posible estructurar un grupo de ideas clave para la formación disciplinar y metadisciplinar en la materia Biología Humana, y diseñar e implementar una unidad didáctica advertida desde modelos teóricos del campo de la formación en didáctica. Esto permitió avanzar en la integración disciplinar y didáctica que requiere la formación del profesorado en Biología y desarrollar actividades innovadoras frente a los modelos tradicionales de enseñanza.

• La estructuración de la UD, a partir del abordaje de un hecho sociocientífico, permitió contextualizar, concitar el interés y dar sentido al proceso de modelización que desarrollaron los estudiantes y facilitó su resignificación al otorgar un nuevo sentido a las ordenanzas de retirar los saleros de los restaurantes y casas de comida.

• Con el análisis de las producciones en la línea disciplinar de la UD, se infiere que los modelos iniciales que construyeron para la situación propuesta se fueron complejizando, incorporando elementos que, al finalizar la tarea, posibilitaron a los estudiantes disponer de modelos anclados en las ideas clave disciplinares. Así, desde modelos inicialmente simples y anclados en el nivel de organización celular, fueron incorporando a partir de las actividades trabajadas, nuevas y más complejas relaciones, lo que llevó a los estudiantes a la construcción de modelos con una visión sistémica del fenómeno de la PA y su regulación. Esto pudo ser constatado en la capacidad que adquirieron para aplicar sus modelos de arribo a la interpretación del funcionamiento de los fármacos antihipertensivos de uso masivo.

• En cuanto a la integración del eje disciplinar con el de formación metacientífica propuesto en la UD, que no ha sido objeto de análisis en el presente artículo (Lozano, Bahamonde, Cremer y Mut, 2018), se manifestó en las relaciones que establecieron los estudiantes entre la enfermedad del pulso duro y la HTA, al elaborar una idea clave metacientífica sobre paradigma. Este avance nos anima a pensar que la propuesta de modelización metacientífica, explícita y contextualizada en la enseñanza de modelos disciplinares, fue significativa (Bahamonde, 2014; Lozano, Bahamonde y Adúriz-Bravo, 2016).