Introducción

Desde mediados de la década de los ochenta, Klopfer (1983) afirmó que el campo de la educación en ciencias se encuentra en crisis, como consecuencia de que las teorías acerca de la enseñanza y aprendizaje de los fenómenos naturales han presentado restricciones a fin de fundamentar disciplinar, pedagógica, curricular y tecnológicamente el diseño e implementación de ambientes de aprendizaje de contenidos específico. Esta situación generó en los eruditos de este campo la necesidad de desarrollar y sostener la línea de indagación de la investigación basada en el diseño (en adelante DBR¹), con el propósito de abordar de forma directa los problemas de la práctica educativa (Anderson y Shattuck, 2012; Candela, 2016; Candela, 2019).

La DBR es considerada por los eruditos del campo de la educación en ciencias como una metodología de investigación del mismo estatus metodológico de los paradigmas cualitativo y cuantitativo (Confrey, 2006). De hecho, los investigadores/profesores/diseñadores hacen un uso deliberado de los enfoques de indagación y técnicas de recolección de la evidencia empírica provenientes de estos paradigmas, con la intención de demarcar y solucionar problemáticas referentes a la enseñanza y aprendizaje de las ciencias. Así pues, este paradigma de investigación emergente diseñado por y para educadores tiene como propósito aumentar el impacto, la transferencia y la traducción de la investigación educativa en prácticas mejoradas (Collins et al., 2004). Además, enfatiza la necesidad de diseñar, implementar y evaluar innovaciones educativas potenciadas por las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) en contextos naturalistas, que permitan producir teorías instruccionales de dominio específico y desarrollar principios de diseño que guíen, informen y mejoren tanto la práctica educativa como la investigación en contextos escolares situados. Finalmente, este manuscrito tiene como propósito describir de forma sucinta los principales elementos epistémicos y metodológicos que subyacen al paradigma de investigación basada en el diseño (BDR) y al ciclo de desarrollo curricular (CDC) en el marco de la educación en ciencias.

¿Qué son las teorías instruccionales de dominio específico?

Por lo general, los productos de la DBR incluyen una secuencia de actividades de aprendizaje junto con una serie de teorías instruccionales de dominio específico, cuya meta central es el andamiaje de unos estudiantes singulares en el aprendizaje de un contenido de las ciencias (Cobb y Gravemeijer, 2014; Candela, 2016). En este sentido, estas teorías instruccionales documentan los posibles aprendizajes a alcanzar por los aprendices y su compromiso con la enculturación científica en un contexto de aula natural. También, estas representan los razonamientos, acciones pedagógicas y recursos curriculares de orden analógico y digital que el profesor utiliza de forma deliberada, con miras a andamiar el aprendizaje y el desarrollo de un pensamiento nivel superior en dichos estudiantes.

Hay que mencionar, además, que estas teorías instruccionales son llamadas de dominio específico con la intención de resaltar que su alcance está restringido a metas de aprendizaje y enseñanza alineadas a un dominio particular del currículo de las ciencias (p. ej., apropiación de las habilidades científicas de nivel superior, comprensión del fenómeno de las disoluciones, desarrollo del conocimiento tecnológico y pedagógico del contenido de la química, entre otros). Desde luego, estas teorías son de orden naturalístico, y no generalizables como las teorías provenientes de la investigación cuasiexperimental. Por todo esto, también reciben el nombre de humildes o prácticas, a fin de reconocer su alto nivel de especificidad y contextualización (Cobb et al., 2003).

Por otro lado, Cobb y Gravemeijer (2014) y Candela (2016) argumentan que las teorías instruccionales de dominio específico son útiles en la resolución de problemas de la práctica educativa, ya que, presentan el potencial de orientar a investigadores/profesores de otros contextos escolares en el planteamiento y ejecución de estudios referentes al diseño, implementación y evaluación de ambientes de aprendizaje. De hecho, estas teorías instruccionales fundamentan disciplinar, pedagógica, curricular y tecnológicamente la secuencia de actividades de aprendizaje de un contenido de las ciencias, que después serán adaptadas y ajustadas a lo largo del nuevo ciclo iterativo de diseño a realizarse en otro contexto escolar. Es así como, esta réplica del estudio de diseño en consideración les da a las teorías de diseño instruccional de dominio específico un buen nivel de transferibilidad, permitiéndoles a los investigadores/ profesores comprender la razón del porqué el diseño e implementación de un ambiente de aprendizaje es efectivo en la enculturación científica de los estudiantes de determinado contexto sociocultural.

¿Por qué se considera la DBR una metodología de investigación?

La DBR es considerada un enfoque metodológico de investigación en el campo de la educación en ciencias, gracias a que, a través de este, los investigadores en conjunción con los profesores formulan y resuelven problemas complejos referentes a la práctica del diseño, la implementación y evaluación de ambientes de aprendizaje en contextos reales de aulas (Confrey, 2006; Anderson y Shattuck, 2012; Candela, 2019). Por supuesto, este ciclo iterativo de diseño tiene como intención deliberada intervenir la práctica de la enseñanza y aprendizaje de las ciencias desde una perspectiva reflexiva, con el ánimo de brindarles a los estudiantes la oportunidad de alcanzar una enculturación científica que fundamente sus acciones sociopolíticas presentes y futuras. Se debe agregar que, los investigadores en el marco de la DBR hacen un uso pedagógico, intencional y contextualizado de las teorías educativas abstractas de orden general y específico. En efecto, la contextualización de estas teorías educativas quizás permite mejorarlas, con miras a escalarlas a otros escenarios escolares, para de esta forma continuar desarrollando y sosteniendo el campo de la educación en ciencias como una disciplina científica (Kelly, 2013).

Los investigadores en la DBR tienen una función dual, diseñadores curriculares e investigadores (Van den Akker, 1999). La función de diseñador curricular se encuentra delineada por la toma de decisiones curriculares e instruccionales, cuyo desarrollo teórico se da como consecuencia a la integración sinérgica y reflexiva que ellos logran establecer entre la literatura sobre la enseñanza-aprendizaje de las ciencias y la sabiduría que le otorga la experiencia de haber diseñado, implementado y evaluado ambientes de aprendizaje. Asimismo, la materialización y evaluación de este ciclo iterativo de diseño es asistida por una serie de enfoque y técnicas de investigación de carácter cualitativo o cuantitativo (Wang y Hannafin, 2005; Alzaghibi, 2010). Estas le permiten al investigador recoger evidencia empírica y analizarla, con el objetivo de realizar una evaluación formativa de carácter tripartito entre las intenciones de diseño o conjetura, las acciones realizadas por los estudiantes y profesores, y los aprendizajes alcanzados.

Conviene subrayar que, la DBR es una perspectiva que amplía el horizonte de indagación en el campo de la educación en ciencias, dado que, la dinámica de esta permite una relación sinérgica entre la investigación, la teoría, el desarrollo curricular y la práctica educativa, la cual se traduce en el desarrollo progresivo de la estructura sustantiva de estos aspectos. Esta situación amplía el campo de acción de algunos de los enfoques convencionales de la investigación educativa (p. ej., investigación acción) (Anderson y Shattuck, 2012; Kelly, 2013). Para ello, hace un uso deliberado de la diversidad de métodos y técnicas de investigación que están relacionadas de forma estrecha con las fases de implementación y evaluación formativa, a fin de generar una teoría de dominio específico, que no solo sea utilizada con el ánimo de comprender cómo una intervención está o no está teniendo éxito, y si esta necesita ser rediseñada, sino también para mejorar las explicaciones teóricas acerca de la enseñanza y aprendizaje de un contenido específico.

¿Qué relación existe entre la DBR y el desarrollo curricular en educación en ciencias?

La DBR es un enfoque de investigación educativo que tiene como propósito central el diseño de ambientes de aprendizaje potenciados por las TIC, junto a la producción de teorías instruccionales de dominio específico referentes a un contenido de las ciencias. Para ello, los investigadores en asocio con profesores y diseñadores instruccionales llevan a cabo indagaciones focalizadas en el diseño, implementación y evaluación de innovaciones educativas en contextos situados de aula. Por supuesto, estas investigaciones educativas presentan una fuerte relación con el proceso epistémico del desarrollo curricular (van den Akker, 1999; Brazer y Keller, 2014; Haagen-Schützenhöfer y Hopf, 2020).

En este sentido, Candela (2020) y Clements (2014) argumentan que el ciclo de desarrollo curricular (en adelante CDC) y el ciclo de la DBR son procesos que se dan de forma sinérgica e interdependiente, es decir, los límites entre las tareas curriculares e investigación del diseño son de naturaleza difusa. Así, estas tareas orientan la toma de decisiones curriculares e instruccionales alineadas con el aprendizaje de un contenido de las ciencias (van den Akker, 1999; Haagen-Schützenhöfer y Hopf, 2020). Dichas decisiones juegan un papel clave en el logro de los objetivos propuestos, tanto en el diseño del ambiente de aprendizaje como en el desarrollo de la investigación de diseño, los cuales están focalizados en la creación de una innovación educativa con coherencia curricular y la producción de teorías instruccionales de dominio específico.

Por todo esto, Haagen-Schützenhöfer y Hopf (2020) afirman que los procesos del ciclo de la DBR y el ciclo del CDC se llevan a cabo de manera simultánea por medio de ciclos recurrentes. Así pues, las teorías de orden general y específico de la educación en ciencias informan el diseño de los ambientes de enseñanza y aprendizaje y, a su vez, la evaluación formativa y sumativa de estos (hallazgos empíricos de las intervenciones) permite extender, refinar y darles validez ecológica a dichos marcos teóricos disciplinares, curriculares, pedagógicos y tecnológicos. Por supuesto, la extensión y contextualización de estos marcos teóricos influye en el rediseño instruccional del ambiente de aprendizaje en cuestión (véase figura 1).

Asimismo, la DBR y el CDC operan en dos espacios de procesos entretejidos que parten de un problema práctico concreto referente a la enseñanza y aprendizaje de las ciencias (p. ej., comprensión del fenómeno del equilibrio químico). Este problema es el punto de partida para los ciclos de la DBR y el CDC (véase figura 1).

Figura 1: Modelo esquemático de la interdependencia entre los ciclos de la DBR y el desarrollo curricular

Fuente: adaptado de Haagen-Schützenhöfer y Hopf (2020).

En general, el CDC (figura 1, lado derecho) representa el proceso de desarrollo de innovaciones curriculares (p. ej., materiales de enseñanza, estrategias de aprendizaje, currículo, entre otras). Este proceso es orientado por la teoría que proviene del campo de la educación en ciencias, y la sabiduría del investigador/profesor que le ha otorgado la experiencia de haber diseñado e implementado innovaciones educativas para la práctica escolar. Este proceso se relaciona con el propósito de explorar la posibilidad de crear un nuevo ambiente de enseñanza y aprendizaje de un contenido específico. Por supuesto, la generación de esta innovación educativa es apoyada por la información que suministra el profesor y los estudiantes, quienes participan de manera activa en la implementación de la versión inicial del ambiente de aprendizaje de un contenido.

El ciclo de la DBR (figura 1, lado izquierdo) se focaliza en la construcción situada de teorías instruccionales de dominio específico, referentes a la enseñanza y aprendizaje de un contenido de las ciencias. Además, este ciclo tiene como fin consolidar y extender el conocimiento sobre el diseño, la implementación y evaluación de ambientes de aprendizaje. Por lo tanto, refleja el procedimiento prototípico de la investigación en educación científica. Los productos de este ciclo están dirigidos a la comunidad científica que se encarga de evaluar la validez de estos (p. ej., presentación de los hallazgos en conferencias de investigación y en revistas de investigación).

El modelo de interdependencia entre los ciclos de la DBR y el CDC se encuentra configurado por cuatro niveles conceptuales que se representan de manera horizontal (véase figura 1). Cada nivel corresponde a un paso del proceso, cuyo fin es conectar dos etapas sucesivas de este. El desarrollo de estos dos ciclos se origina a partir de un punto común, un problema concreto acerca de la enseñanza y aprendizaje de un contenido de las ciencias. Como las subsiguientes etapas de los ciclos de la DBR y CDC son diferentes, sus pasos relacionados se ope-racionalizan de manera diferente en cada uno de estos espacios (véase tabla 1).

El primer paso del proceso tiene lugar en el nivel heurístico. En el CDC, el enfoque para resolver el problema práctico es desarrollar una versión preliminar del ambiente de enseñanza y aprendizaje. Este está fundamentado disciplinar, pedagógica, curricular y tecnológicamente por las teorías provenientes del campo de la educación en ciencias, y la sabiduría que le ha otorgado la experiencia a los investigadores/profesores. En el ciclo de la DBR, la hipótesis sobre la enseñanza y el aprendizaje de dominios específicos se genera con base en los hallazgos y teorías de investigación existentes. Por supuesto, esta hipótesis está muy relacionada con los marcos teóricos e instruccionales que sustentan la primera versión del ambiente de aprendizaje de un contenido específico.

Estas teorías instruccionales de dominio específico son consideradas suposiciones hipotéticas sobre la enseñanza y aprendizaje de un contenido basadas en el contexto.

El segundo paso del proceso está relacionado con el nivel empírico. En el ciclo CDC la primera versión del ambiente de aprendizaje es implementada en un aula real. Esto se puede hacer desde diferentes perspectivas que van desde los experimentos de enseñanza hasta pruebas de campo en el salón de clases. Para el ciclo DBR, las intervenciones brindan la oportunidad de recopilar datos empíricos que provienen de la implementación de dicho ambiente de aprendizaje.

El tercer paso del proceso tiene como objetivo convertir los resultados del segundo paso en productos. En el ciclo del CDC, las experiencias de las intervenciones contribuyen a un refinamiento de la primera versión del ambiente de aprendizaje de contenido. En el ciclo de la DBR, los datos recopilados se analizan con el ánimo generar o refinar las teorías instruccionales de dominio específico basadas en el contexto.

El cuarto paso del proceso tiene dos dimensiones. Debido a la naturaleza cíclica e iterativa de la DBR, los productos de los pasos anteriores pueden ser desafiados nuevamente a nivel empírico y así volver a entrar en otro ciclo de desarrollo o investigación; y al mismo tiempo, estos necesitan ser validados por la comunidad. En otras palabras, en el ciclo de CDC el ambiente de aprendizaje es validado ecológicamente por la práctica en aulas reales; y en la DBR, las teorías de dominio específico son validadas dentro de la comunidad científica.

¿Qué papel juega el modelo de razonamiento y acciones pedagógicas del investigador y profesor en el funcionamiento entretejido de los ciclos DBR y CDC

El modelo de razonamientos y acciones pedagógicas del investigador/profesor fundamenta el desarrollo reflexivo de los ciclos de DBR y CDC, el cual se traduce en la generación de una serie de teorías instruccionales de dominio específico (Shulman, 1987; Candela, 2020) (véase figura 2). La secuencia iterativa de las etapas que configura el modelo le brinda al investigador/profesor la oportunidad de conjeturar y validar prácticas educativas que estén en coherencia, tanto con los marcos teóricos alternativos de la educación en ciencias, como con las teorías instruccionales de dominio específico, basadas en el contexto, que han sido producidas en otras investigaciones. Desde luego, estas etapas en conjunción con dichos marcos teóricos e instruccionales le permiten llevar a cabo una reflexión práctica y crítica con la intención de fundamentar disciplinar, pedagógica, curricular y tecnológicamente el ambiente de aprendizaje de contenidos.

Ahora bien, el modelo de razonamiento y acciones pedagógicas está configurado por las siguientes etapas recurrentes: comprensión, transformación, enseñanza, evaluación y reflexión (véase figura 2). Cada una de estas agencian el movimiento reflexivo del investigador y profesor a lo largo de los cuatro niveles conceptuales del modelo de interdependencia de los ciclos de la DBR y CDC, que sustentan el funcionamiento iterativo de estos con el ánimo de alcanzar sus respectivos productos epistémicos (véase tabla 2).

Figura 2: Modelo de razonamiento y acciones pedagógicas

Fuente: Shulman (1987).

Por todo esto, Candela (2016, 2019) considera que estas etapas se encuentran en estrecha coherencia con las fases de dichos ciclos (véase tabla 2). Esta relación sinérgica actúa como una heurística de investigación y desarrollo curricular, donde se consideran interrogantes sobre las condiciones y los efectos causados por el diseño e implementación de un ambiente de aprendizaje de contenido específico. Estos interrogantes se abordan desde los dominios de la política, la práctica y la teoría (Clements, 2007). Así, las preguntas respecto a las condiciones hacen referencia a la explicitación y representación de la serie de variables contextuales, disciplinares, cognitivas, pedagógicas, curriculares, sociales y culturales que demanda el diseño e implementación de una innovación educativa particular, cuyo propósito es mediar de forma apropiada la enculturación científica de los estudiantes, y producir unas teorías instruccionales de dominio específico. Las preguntas referentes al efecto permiten evaluar de manera formativa y sumativa el impacto a nivel educativo y social que genera la implementación de la innovación educativa en los estudiantes y profesores (Clements, 2007).

Asimismo, en el marco del dominio de la política se formulan preguntas centradas en cuestionar si las metas de enseñanza y aprendizaje son importantes a nivel educativo y social (p. ej., cuáles son los efectos educativos y sociales generados en los estudiantes y profesores, y cuál es el nivel del efecto para las diferentes poblaciones). También, se interroga acerca de las condiciones profesionales, sociocognitivas y materiales que debe tener el contexto escolar para llevar a cabo un diseño e implementación de un ambiente de aprendizaje que medie el logro de las expectativas curriculares conjeturadas.

En el dominio de la práctica se requiere conocer si un currículo es efectivo para ayudar a los estudiantes a lograr propósitos de aprendizaje específicos, para ello, se documentan las consecuencias educativas y sociales conjeturadas o no conjeturadas. Además, se identifican el conjunto de condiciones que agencian la implementación exitosa de la innovación educativa. Por otro lado, el dominio teórico se focaliza en evidenciar y explicitar la forma como los marcos teóricos generales y específicos de la educación en ciencias influyeron en los razonamientos y acciones inteligentes de los estudiantes y el profesor para lograr las metas curriculares conjeturadas. En este sentido, las preguntas del dominio teórico incluyen por qué el currículo es efectivo, qué bases teóricas se utilizaron, en qué medida fueron explicativas, qué cambios cognitivos ocurrieron y qué procesos fueron los responsables. Las preguntas condicionales incluyen por qué ciertos conjuntos de condiciones disminuyen o aumentan la eficacia del currículo, cómo y por qué las estrategias específicas producen resultados que antes no se alcanzaban.

Conclusiones

La investigación en educación en ciencias en el marco de la DBR debe valorarse por su capacidad para mejorar de forma progresiva la práctica de la enseñanza y aprendizaje de las ciencias en contextos naturalísticos. Para ello, los ciclos de la DBR y CDC, fundamentados por el modelo de razonamientos y acciones pedagógicas del investigador/profesor se focalizan en construir una comprensión sobre cómo y por qué una innovación educativa funciona de una forma apropiada en el proceso de andamiaje de la enculturación científica de los estudiantes. Probablemente, esta comprensión arroja luces a los investigadores/profesores/diseñadores curriculares referentes a la sostenibilidad y escalabilidad de la innovación educativa en otros contextos escolares. Con el fin de alcanzar este propósito pragmático, los proyectos de investigación sustentados por la relación sinérgica entre la DBR y el CDC producen los siguientes artefactos epistémicos: ambientes de aprendizaje novedosos de contenidos específicos fundados disciplinar, pedagógica, y curricularmente; teorías instruccionales de dominio específico basadas en el contexto, que documentan los procesos de enseñanza y aprendizaje de un contenido de las ciencias; y conocimiento referente al avance y consolidación del diseño instruccional en contextos reales.