Algunas concepciones CTSA de estudiantes de noveno grado sobre conceptos termodinámicos

Introducción

La alfabetización tecnocientífica es importante para la formación de todo ciudadano, ya que le confiere habilidades para que piense, reflexione, comunique y tome decisiones responsables en cuestiones de ciencia y tecnología; y no hay duda de que el lugar propicio para cultivar esa formación es la escuela.

Para el caso concreto colombiano, el Ministerio de Educación Nacional (MEN) reconoce la importancia de enseñar una alfabetización tecnocientífica en los estudiantes; tanto así que en los Lineamientos curriculares: Ciencias Naturales y Educación Ambiental se expresa claramente que el objetivo principal del conocimiento tecnológico y científico es la búsqueda de respuestas que conllevan al mejoramiento de la calidad de vida (MEN, 1998).

Además, cuando se revisan los Estándares básicos de competencias (EBC) para las Ciencias Naturales y la Educación Ambiental, se evidencia una coherencia con el objetivo principal de los Lineamientos curriculares debido a que en el manejo del conocimiento de la ciencia, tecnología y sociedad (CTS) (columna que indica las acciones de pensamiento y de producción concreta en los EBC) se busca generar competencias específicas que permitan la comprensión de los aportes de las ciencias naturales para mejorar la vida de los individuos y de las comunidades, así como el análisis de los peligros que pueden originar los avances científicos (MEN, 2004).

A pesar de esta coherencia y compromiso que tiene el MEN en el currículo de ciencias naturales, en algunas instituciones educativas no se enseña correctamente el enfoque CTS. Es más, ni siquiera articulan el componente ambiental, a pesar de los esfuerzos que han venido gestando diferentes movimientos en las últimas décadas para promover una educación ambiental con carácter social.

Sin embargo, este vínculo entre la educación ambiental y la dimensión social fue necesario porque se comenzó a percibir una reducción del concepto de ambiente (especialmente ecologista y conservacionistas), por lo que el movimiento educativo CTS bifurcó con el movimiento de educación ambiental, lo que dio como resultado un enfoque que atiende los problemas socioambientales desde las estrechas relaciones entre ciencia y tecnología. A esto se llamó enfoque CTSA, añadiendo la A de ambiente (Vilches et ál., 2010).

Ahora bien, entender la interacción entre ciencia y tecnología tampoco es fácil, y una falta de comprensión puede llevar a dificultades de enseñanza y aprendizaje. Según Solbes (2003), pocos estudiantes pueden comprender dicha interacción, porque los cursos donde se enseñan estos conocimientos enfocan la tecnología como ciencia aplicada, como sucedió en el Renacimiento, cuando Galileo aplicó la teoría del movimiento parabólico en el lanzamiento de proyectiles; también consideran a la ciencia independiente de la tecnología, por lo que es difícil comprender que los avances actuales de las ciencias se debe, entre otras cosas, al desarrollo de sofisticados instrumentos cada vez más sensibles.

Así, surge un cuestionamiento propio de la didáctica de las ciencias sobre cómo enseñar un conocimiento de la CTSA para desarrollar una alfabetización tecnocientífica, donde se aprenda a valorar el papel que cumple la ciencia y la tecnología en la sociedad y el ambiente. De acuerdo con Martín (2005), dicha mirada se sustenta porque la alfabetización tecnocientífica no puede suponer solamente el conocimiento del lenguaje propio de las disciplinas científicas. Los valores, que remiten a un mundo de significados sociales, y los aspectos del contexto, que permiten comprender por qué y para qué han sido desarrollados los productos tecnocientíficos, son también elementos imprescindibles de una verdadera alfabetización en ciencia y tecnología. En consecuencia, surge otro interrogante: ¿Cómo articular los contenidos de enseñanza del currículo tradicional con el enfoque CTSA?

Con relación a lo anterior, una de las acciones de pensamiento en los EBC para los grados de octavo a noveno (jóvenes entre los 13 y 15 años), en la columna de "conocimiento de la CTS", es que puedan explicar la relación entre ciclos termodinámicos y el funcionamiento de motores. A pesar de que esa acción de pensamiento reduce el sentido del enfoque CTSA, pues solo se sugiere el componente tecnocientífico y no social y ambiental, el estudio de la termodinámica, desde los conceptos de gases ideales, calor y primera ley de la termodinámica, pueden resultar como injertos para contextualizar problemáticas sociales y ambientales (Osorio, 2002).

Además, situaciones controversiales actualizadas, donde se relacionan los motores de combustión interna, son una excelente excusa para iniciarse en la enseñanza de actitudes tecnocientíficas, no solo porque la enseñanza de la termodinámica comienza en los grados octavo y noveno, sino porque estas máquinas tienen un referente sin presente en la historia de la ciencia que cambió el rumbo de la humanidad por ser la materia prima que impulsó la Revolución Industrial; incluso, en la actualidad es una problemática discutible porque el uso exponencial de estos motores están deteriorando dramáticamente la salud humana y al ambiente. Sin embargo, para que un estudiante pueda discutir el componente social y ambiental de estos motores, debe tener, al menos, un conocimiento básico de los principios que rigen su funcionamiento, por eso resultan necesarios los injertos.

Fundamentación teórica

Para comprender los resultados que se obtuvieron en esta investigación, es necesario reconocer algunos elementos teóricos y epistemológicos sobre la teoría cinético-molecular y el concepto de calor, ya que son la base para explicar los ciclos termodinámicos y el funcionamiento de un motor de combustión interna, además resulta propicio reconocer las dificultades de aprendizaje que tienen algunos estudiantes sobre ello, ya que coinciden con las ideas ingenuas que tenían los científicos cuando empezaron a estudiar estos principios, leyes y teorías (Viennot, 1979; Driver et ál., 1985, citados por Izquierdo et ál., 2016); y es evidente que estas posibles dificultades obstaculicen la apropiación de discusiones CTSA y por ende, sus propias concepciones. Del mismo modo, se expondrá cuál es la problemática actual por el uso de algunos motores de combustión interna y el fundamento teórico de la aplicación del enfoque CTSA para el currículo colombiano.

Metodología

Resultados

A continuación, se presentan textualmente, y a modo de ejemplo, algunas concepciones que tienen los estudiantes frente a las preguntas controversiales descritas en la tabla 1; seguido de ello, se hace una breve descripción de las dificultades de aprendizaje que persisten con los conceptos científicos trabajados y que en muchos casos coinciden con ideas de científicos en momentos históricos; también se muestran algunos apartes generales importantes.

Sobre la pregunta 1 se encontraron respuestas como:

EI: "Las remplazaría por completo, ya que seríamos inútiles ante ellas. Como consecuencia, ya dependería la humanidad de una máquina y no seríamos autosuficientes para nuestro propio bienestar".

Este estudiante solo ve la tecnología como un objeto que funciona autónomamente, que persigue un propósito negativo para la humanidad. Por otra parte, se puede inferir que el estudiante cree que la tecnología, pensada como artefacto, no mejora nuestra calidad de vida, ya que no seríamos autosuficientes al hacer uso de ella.

EP: Nunca los reemplazará, lo que producirá es que reducirá el tiempo del trabajo pues siempre se necesitará de alguien que ayude a la creación y proceso de las prensas neumáticas para que así cada vez se pueda avanzar en esta clase de tecnología. Las consecuencias están en la parte del mantenimiento, reduce el tiempo del proceso y en la economía que trae esta.

Este estudiante reconoce que la tecnología está en constante cambio, la cual es adaptada según las necesidades sociales. Sin embargo, no es consciente del impacto que puede traer la eficiencia técnica a la sociedad, pues una reducción del tiempo de producción de un objeto lleva a lo que se conoce como plusvalía, donde solo se beneficia el dueño de la fuerza de producción.

Con respecto a la descripción de la primera temática, que relacionó los gases ideales desde experimentos demostrativos con una perspectiva CTSA, se pudo reconocer que algunos estudiantes mantienen algunas dificultades de aprendizaje en cuanto a:

• Considerar que, al comprimir un gas, sus moléculas se vuelven más pequeñas.

• Desconocer la existencia del efecto de la presión atmosférica, porque según ellos, un gas pesa poco como para aplastar objetos (por ejemplo, una botella de plástico).

• Desconocer las propiedades de los gases ideales descritas en la ley de Boyle y Gay-Lussac, cuando se ponen casos de la vida real.

• Pensar que un globo de mayor tamaño tiene más presión que otro de menor tamaño.

• Afirmar que las moléculas se mueven más lento cuando mayor es la temperatura.

También hay una fuerte tendencia de concepciones CTSA ingenuas y plausibles, solo una décima parte se pueden encontrar concepciones adecuadas. Esto se debe a que en la mayoría de los casos se percibieron opiniones sobre la tecnología como artefactos que se desarrollan por sí solos, independientes de las necesidades sociales, mostrando así una actitud negativa hacia ella, pues afirman que "la tecnología termina reemplazando al ser humano, volviéndolo inútil y dependiente de ella".

Sobre la pregunta 3 se encontraron respuestas como:

EI: "Más o menos, a largo plazo iría perdiendo calor el centro de la tierra".

Es evidente que en esta respuesta no se establece ninguna relaciona del componente social y ambiental; además hay una idea ingenua sobre los procesos geotérmicos, lo que limita argumentos socioambientales.

EA: La energía geotérmica es viable porque es una fuente que evitaría la dependencia energética del exterior; los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto ambiental que los originados por el petróleo o el carbón; no está sujeta a precios internacionales, sino que siempre puede mantenerse a precios nacionales o locales, por eso implica un sistema de gran ahorro, tanto económico como energético; por último, el área de terreno requerido por las plantas geotérmicas por megavatio es menor que otro tipo de plantas; no requiere construcción de represas, tala de bosques, ni construcción de tanques de almacenamiento de combustibles.

Este estudiante tiene una visión más amplia frente al impacto que puede traer el uso de la energía geotérmica a la sociedad y el ambiente, ya que no solo considera aspectos conservacionistas como la disminución de talas de árboles, o el abuso de grandes extensiones de tierra, sino que establece un vínculo con el sector económico, donde involucra su adaptación según las necesidades de la población.

En la segunda temática que hace referencia a los conceptos relacionados con la primera ley de la termodinámica, abordados desde experimentos demostrativos, y su relación con aspectos CTSA, se pudo percibir algunas dificultades de aprendizaje como:

• No comprender el equilibrio térmico cuando se mezcla agua a diferente temperatura.

• Desconocer relaciones entre calor y temperatura, y calor y energía.

• Pensar que los colores atraen la energía, cuanto más oscuro, más calor puede atraer.

• No concebir que la energía interna de un sistema se puede mantener a pesar de que se agregue calor.

• Considerar que la energía interna de un sistema adiabático puede aumentar si se hace trabajo sobre él.

• Creer que la energía interna de un sistema adiabático baja cuando se realiza trabajo sobre ella.

Respecto a las relaciones CTSA se pudo observar una gran tendencia hacia concepciones adecuadas y plausibles en cuanto a la pregunta controversial 3, pero esta situación cambia drásticamente en la pregunta 4, la cual tenía como propósito involucrar el aspecto político como mecanismo legal y participativo para transformar a la sociedad y el ambiente.

En la mayoría de los casos, los estudiantes conciben la política como una especie de reglamentos o normatividades preventivas, que se proponen a corto plazo para amortiguar crisis socioambientales, donde se evidencia la escasa relación entre ciencia, tecnología y política; y el gran distanciamiento hacia nociones de políticas públicas. A continuación, se muestra un ejemplo de este tipo de concepciones ingenuas.

EI: tener un resguardo con provisiones de alimentos no perecederos, kits de primeros auxilios, medicina, linternas y todo lo que le pueda ayudar a pasar el huracán en óptimas condiciones de vida.

Sobre la pregunta controversial 5 se encontró que:

EI: La máquina a vapor trajo con sigo muchas cosas buenas como los cambios tantos tecnológicos, económicos y hasta sociales, y es bueno porque a raíz de eso el trabajo se ha facilitado, pero también trajo cosas negativas y es el desplazamiento de trabajadores.

Aquí se perciben, de forma aislada y carentes de explicación, aspectos tecnológicos, económicos y sociales debido a la incorporación de la máquina térmica, solo reconoce el impacto social desde el punto de vista del desempleo.

En la última temática trabajada sobre las máquinas térmicas, teniendo en cuenta la misma dinámica de trabajo que se ha venido abordando, se identificaron las mismas dificultades de aprendizaje que ha manifestado Pro (2003), ya que los estudiantes no logran explicar correctamente los ciclos termodinámicos porque confunden los conceptos que están implícitos, además que no razonan sobre el enfriamiento de los sistemas termodinámicos. Sumado a ello, y de acuerdo con Yepez (2015), los estudiantes no encuentran una relación directa entre las variables temperatura y presión con el movimiento de las partículas que componen los gases (sustancia carburante), por lo que carecen de interpretaciones adecuadas de gráficas de presión en función del volumen.

Lo anterior ha ocasionado, por lo menos en la pregunta 6, la poca apropiación de explicaciones tecnocientíficas a la hora de discutir situaciones controversiales sobre los motores a combustión interna; sin embargo, han podido, de manera argumentativa, abordar estas situaciones adecuada y plausiblemente a la hora de tomar decisiones responsables en cuanto al uso de un motor, ya que han evaluado todos los componentes socioambientales. Sin embargo, insisten en expresar el componente tecnológico de forma reduccionista; por ejemplo: "mejoras como la inyección directa", "mejoras tecnológicas para evitar el consumo de gasolina", "implementar tecnologías adecuadas para mejorar su potencia".

Consideraciones finales

Los resultados de esta investigación muestran algunas concepciones ingenuas, plausibles y adecuadas en cuestiones de CTSA, utilizando como injertos, conceptos de la termodinámica que propone el currículo colombiano. Esto es una alternativa en el campo de la enseñanza de la ciencia, porque, de acuerdo con Quintero (2010), el estudiante debe encontrar una aplicación inmediata de los conceptos científicos que aprende, no solo para que adquiera una alfabetización tecnocientífica, sino para que genere un civismo democrático, que le sirva para la vida. Por esta razón, se insiste en buscar situaciones controversiales creativas que le permitan al estudiante discutir, argumentar, proponer soluciones y tomar decisiones responsables frente al uso de la ciencia y la tecnología.

Pero las situaciones controversiales a partir de preguntas orientadoras no son la única alternativa para trabajar estos injertos; por ejemplo, autores como Martín y Osorio (2003) plantean los juegos de roles, en los que a partir de una noticia real o hipotética recrean la esencia del momento en el que se discuten aspectos de CTSA. Incluso Sabka (2016), usó esta alternativa para enseñar, desde la historia de la Revolución Industrial inglesa, que la máquina térmica no solo puede entenderse como un artefacto tecnológico, sino como un precursor de conflictos sociales; además, el juego de roles ayuda a recrear los conflictos de una posición social diferente del estudiante (por ejemplo, la posición del obrero de una fábrica).

Aunque en esta investigación se tomó la tecnología como aplicación de la ciencia, esta no debe reducirse a ello. Osorio (2003) define la tecnología como un sistema complejo que integra, no solo elementos técnicos, sino conocimiento, procesos organizativos, representaciones culturales y valores, los cuales son aplicables en sistemas materiales y sociales. Por su parte, García (2001) aclara que la ciencia y la tecnología avanzan de manera simultánea debido a que están estrechamente relacionadas (son como una simbiosis), y ambas son responsables del cambio social y ambiental. Por esto es importante introducir otros ejemplos que ayuden a contextualizar al estudiante en una visión abarcadora de lo que significan las relaciones CTSA.

A pesar que algunos estudiantes mostraron una actitud negativa hacia la tecnología, la mayoría mantienen actitudes positivas, de hecho, hubo una tendencia hacia pensamientos ambientalistas, es el caso de Vázquez y Manassero (2009), quienes identificaron en la mayoría de estudiantes que ellos encuestaron actitudes generales ecológicamente favorables y expectativas positivas respecto a la solución de los desafíos medioambientales, basadas en la acción concertada de todos para encontrar las soluciones más apropiadas.

En este sentido, parte de estas actitudes favorables pueden resultar del enriquecimiento de diálogos a partir de las situaciones controversiales trabajadas en el aula; sin embargo, estos diálogos pueden estar impregnados de concepciones ingenuas y reduccionistas que surgen, probablemente, de errores conceptuales que coinciden con las ideas ingenuas que manejaban los científicos a través de la historia de la ciencia, en este caso atribuir propiedades macroscópicas de la materia al mundo microscópico y considerar calor como sustancia que se cede o se gana. Por ello, se recomienda tener en cuenta la historia y epistemología de las ciencias para abordarlas en el aula, por ejemplo, a través de experimentos demostrativos, con el fin de tener discusiones enriquecidas en términos de alfabetización tecnocientífica.