DIRECCIÓN:Francisco Javier Perales Palacios

Pedro Cañal de León

!>

\ yY\,()Ye~D -e/V" é f. pOvV\t:\. I 2. Q oo

DIDÁCTICA DE LAS CIENCIASEXPERIMENTALES.

TEORíA Y PRÁCTICA DE LAENSENANZA DE LAS CIENCIAS.

B,P?, ); M ftlF;:· ~/' 4:~r~~ar l·ALCOY 2000

••

C>

~&~OuMI1@ TI @

LA ENSEÑANZA Y ELAPRENDIZAJEDEL CONOCIMIENTO QUíMICO

C. Furió, C. DomínguezUniversitat de Valencia

R.AzconaInstituto de Enseñanza Secundaria de Hondarribia (Guipúzcoa)

J. GuisasolaUniversidad del País Vasco (San Sebastián)

421

422

INTRODUCCIÓN

Es bien sabido que el protagonista esencial a la hora de lograr una enseñanza eficazes el profesorado. Lo que piensa y hace el profesor en el aula será uno de los principalesmotores determinantes a la hora de conseguir un aprendizaje significativo y motivante enla clase de Física y Química. Y para lograrlo es fundamental que el saber y 'saber hacer'del profesorado se nutra de los conocimientos aportados por la didáctica de las Ciencias.De ahí que el hilo conductor de este capítulo tenga como eje estructurante favorecer unaactualización didáctica (y, por tanto, científica) del profesorado que ha de enseñarQuímica, en nuestro caso, aproximándolo a los resultados que la investigación nos estáaportando. En este hilo conductor se han priorizado dos necesidades formativas docen-tes. De entrada, el profesor ha de conocer bien la materia a enseñar saliendo al paso devisiones docentes aproblemáticas y ahistóricas en la construcción del conocimiento quí-mico aceptado actualment~. En segundo lugar también ha de conocer aspectos teóricossobre cómo aprenden los estudiantes y, en particular, saber que los estudiantes ya tienenideas sobre lo que se les va a enseñar que pueden dificultar el aprendizaje de las nuevas.

El capítulo que desarrollaremos consta, pues, de dos partes destinadas a:,:

1) Conocer obstáculos que se le pueden presentar a los estudiantes de Secundariaen el estudio del mundo complejo de la Quimica. Este primer apartado se centraráen la presentación de dificultades (existencia de concepciones alternativas, formasde razonamiento, etc.) que se han detectado por la investigación en el contexto delas reacciones químicas. Particular atención se prestará a la existencia de ciertosparalelismos entre las dificultades de aprendizaje y los problemas históricos.

2) Conocer un poco más la disciplina aproximando al lector a la historia y epistemo-logía de la Química. Se resaltarán brevemente aquellos problemas científicoscuyas soluciones han representado saltos cualitativos importantes en el avance delos conocimientos químicos. Conocer estos problemas puede damos informaciónvaliosa a la hora de seleccionar, organizar y secuenciar los contenidos que se quie-ren enseñar en un determinado nivel educativo.

Una vez conocidas las dificultades discentes y decidido qué se quiere enseñar de losprocesos químicos, se puede ya pasar a conocer estrategias didácticas que permitanSuperar las dificultades de aprendizaje.

423

1. DIFICULTADES EN EL APRENDIZAJE DEL CONOCIMIENTO QUÍMICO

La línea de investigación sobre las concepciones alternativas de los estudiantes entemas de Ciencia ha sido, desde hace más de 20 años, el eje medular del cuerpo teóricode conocimientos que hoy llamamos Didáctica de las Ciencias (véase el capítulo 1 deeste mismo texto). Se dispone de mucha información sobre las ideas, preconcepciones oconcepciones alternativas como puede apreciarse en la literatura didáctica (Wandersee etal., 1994). Y aunque, como indica Duit (1993), el dominio en el que más se ha investiga-do es en el de la Física, también hay un 18 por ciento de los más de 3000 artículosreferenciados por aquellos autores a los que podemos acudir en el campo de la enseñan-za-aprendizaje de la Química (Furió, 1996). No solamente podemos dirigirnos a las revis-tas especializadas en Didáctica de las Ciencias, sino que también hay capítulos enterosdedicados a las concepciones alternativas en manuales recientes que se han esforzado enpresentar síntesis de investigaciones realizadas en este ámbito (Gabel, 1994; Fraser yTobin, 1998). .

El exceso de información sobre esta temática genera también un problema que con-siste en cómo organizar y presentar estas concepciones altemativas, en particular las quehagan referencia a los cambios químicos, sin que se convierta en una lista de preconcep-ciones sin hilazón y donde el lector puede perderse. A tal efecto, dividiremos este aparta-do en varios subapartados, que vayan de lo general a lo particular. En primer lugar, sepresentará una panorámica que exponga las características generales del pensamientodiscente espontáneo sobre la Química a la luz de la investigación realizada. Es decir, sereflexionará sobre cómo "ven" el mundo natural los adolescentes, en qué se apoyan susfuentes de conocimiento y qué tipos de razonamientos espontápeos emplean en susinterpretaciones (apartado 18.1.1). En segundo lugar, se expondrán las principales difi-cultades de los estudiantes en algunos prerrequisitos básicos para poder comprender lasreacciones químicas, tales como la naturaleza corpuscular de la materia (18.1.2) y losconceptos de sustancia (18.1.3) y de compuesto químico (18.1.4). Finalmente, se abordacómo modelizan los alumnos la reacción química (18.1.5) y algunas dificultades relativasa formas de razonamiento que se han detectado en la resolución de problemas de quími-ca (19.1.6). En los subapartados más conceptuales sobre estructura de la materia (del19.1.2 al 19.1.4. inclusive) se revisarán las dificultades encontradas tanto en los aspectosmacroscópicos como en los microscópicos (Gabel, 1998).

1.1. ¿Cómo ven y razonan los estudiantes el mundo natural que les rodea?

A título de hipótesis y como intento de explicar de manera general los orígenes de lasdenominadas concepciones alternativas que tienen los alumnos sobre los fenómenosquímicos, algunos autores (Puigcerver y Sanz, 1998) clasifican estas concepciones en:concepciones espontáneas, de carácter intuitivo, concebidas como aquellas ideas inte-riorizadas a partir de la experiencia física propia cuando se intenta dar significado a lasactividades cotidianas; concepciones inducidas, que se derivarían más propiamente delentorno sociocultural de los alumnos y, en particular, del lenguaje, de la cultura y "sabi-duría popular", así como de la propia enseñanza (Carrascosa et al., 1996) y concepcionesanalogicas. bien espontáneas o inducidas, que se generan cuando el alumno no disponede ideas acerca de los conceptos científicos tratados e intenta activar ideas ana lógicas yaexistentes, que le permitan comprender los conceptos científicos.

424

Ahora bien, si queremos ir más directamente a las principales fuentes de dificultadesy obstáculos que se pueden presentar en la enseñanza de la Química, tendremos queimaginar, en primer lugar, qué características generales posee la cultura experimentalque los estudiantes traen consigo al aula (Bachelard, 1938). Y, aunque de antemanoaceptamos que el pensamiento humano es evolutivo y adaptativo, se pueden avanzaralgunos aspectos generales que la investigación está poniendo de relieve y que puedenfacilitar la comprensión de las dificultades de aprendizaje con que nos podemos encon-trar los profesores.

Un primer aspecto ontológico surge cuando se plantea la relación entre la Cienciaque se ha de enseñar y la realidad. Más en concreto, cuando se pregunta a los estudian-tes qué significa para ellos la realidad externa. Suele emerger una visión realista inge-nua, donde se considera como "hecho real" la imagen o representación directa quedetectan nuestros sentidos (Pozo y Gómez, 1998). Es decir, para los adolescentes la reali-dad del mundo natural coincide con las percepciones sensoriales del sujeto, que quedanregistradas o impresas directamente en nuestra mente, sin tener en cuenta que dichaspercepciones son filtradas a priori por lo que ya existe en ella (Johnstone et al., 1994). Secomprende así que los adolescentes pongan en duda la materialidad de aquellos estadosde la materia que sean difícilmente perceptibles, como veremos más adelante, cuandoanalicemos las dificultades macroscópicas que para ellos plantea el estudio de los"gases(no se ven, no se tocan, no "pesan", etc.). Tampoco es difícil deducir que gran parte delas generalizaciones erróneas que cometen los estudiantes, se basarán en la aplicación deaquella visión realista ingenua que poseen sobre el mundo natural al nivel. microscópicode descripción de la materia. Es decir, para ellos el mundo de los átomos, moléculas,redes iónicas, etc. es el mismo mundo macroscópico de los materiales y las sustancias(con sus propiedades y cualidades), pero en diminuto. No comprenden que existen dis-tintos niveles de descripción de la materia en íntima relación: el nivel macroscópico delas sustancias con sus propiedades, con sus interacciones y cambios, y, por otra parte, elnivel microscópico de aquellos mismos entes que la Química modeliza a base de átomos,iones o moléculas con sus propias propiedades, sus colisiones, etc. y con los que seintenta explicar unitariamente la estructura de la materia y los cambios que observamosen el mundo tan diverso que nos rodea.

Una segunda característica del pensamiento del estudiante se deriva de su integraciónen el medio social y cultural. Como ser social acepta las ideas que están asumidas en sucultura y, en particular, las transmitidas a través del lenguaje cuyo significado forma partede esa cultura cotidiana. A veces, estas ideas son aceptadas como evidencias de 'sentidocomún' a pesar de que han sido rebatidas por la ciencia hace siglos (la síntesis newtonia-na, la teoría atómica, etc.). Ello es síntoma de que la cultura científica todavía no ha llega-do, lamentablemente, a penetrar e integrarse en esa cultura popular.

Estas ideas de sentido común se presentan como "naturales" en el sentido de que,para los estudiantes siempre han estado ahí fuera, en la realidad externa, sin damoscuenta que muchas de ellas han sido construidas en paradigmas anteriores a los actuales.Así, por ejemplo, la idea de peso fue introducida antiguamente por los griegos para dife-renciar la "materia corpórea" (sólidos y líquidos) de la materia "rara" (gases y vapores).Se definió como la tendencia de los cuerpos a ir hacia abajo, hacia las esferas terrestre yacuosa, que eran el"lugar natural de los objetos cuya composición tenía mayor propor-ción de los elementos tierra yagua (los cuerpos "graves" o pesados). La actualización de

425

esta idea hace que, por ejemplo, los medios de comunicación (prensa, radio o 1V) eincluso algunos libros de texto en la escuela, incurran en errores conceptuales al afirmarla ingravidez (falta de peso) de los astronautas en una cápsula o nave espacial por el sim-ple hecho de estar flotando en el interior de la nave a unos pocos centenares de kilóme-tros de la Tierra. Esta idea de peso es diferente al concepto newtoniano de "peso" comofuerza realizada por la Tierra sobre la masa de cada astronauta. iCómo podemos creer,hoy, que a unos 1000 km del planeta no hay campo gravitatorio terrestre! Esta asociaciónentre la idea de flotación y la de falta de peso lleva a inferir que en aquellos cambiosdonde desaparece perceptiblemente masa de materia condensada (sólidos y líquidos) yse forman gases, no se conservará el peso (tampoco la masa para los estudiantes) comoveremos más adelante.

En resumen, la percepción de cualquier fenómeno será filtrada ontológica y concep-tualmente por el referente empírico del estudiante, basado no sólo en su experiencia físi-ca, sino también en la cultura y lenguaje cotidianos. Este filtro conceptual de la percep-ción puede explicar muchas de las dificultades y obstáculos epistemológicos comentadosen la literatura (Llorens, 1994). Por ejemplo, cuando el profesor muestre un fenómenoquímico como la calcinación del magnesio en el que se observan varios estímulos (ceni-za blanca, humo blanco, luz deslumbrante, desprendimiento de calor, etc.), el alumnoseleccionará el o los que le parezcan más relevantes a la hora de interpretar este hecho(Kempa y Ward, 1988).

Para algunos autores la existencia y persistencia de estas concepciones alternativasvendrían originadas por las formas de razonar (componente propiamente episternológi-ea del pensamiento) y de comportarse (componente metodológica de la acción, de laconducta, etc) en el quehacer cotidiano. Esto es, estarían basadas en el uso de razona-mientos espontáneos como la "metodología de la superficialidad" (Gil y Carrascosa,1985; Hashweh, 1986; Gil et al., 1991) o el "causalismo simple" (Andersson, 1990). Lametodología del sentido común o de la superficialidad se caracteriza por la rapidez enextraer conclusiones o generalizaciones a partir de unas pocas observaciones cualitativaspoco rigurosas, o en aceptar como verdades absolutas evidencias de sentido común asu-midas en la cultura cotidiana. Esta impulsividad en la forma de pensar y actuar se oponea una concepción hipotética del conocimiento científico y a la reflexión necesaria quepueda poner en cuestión cualquier conclusión extraída. Aceptar que cualquier conoci-miento es hipotético significa ponerlo en duda y someterlo a prueba a través de la con-trastación experimental o del análisis de su coherencia con otras ideas aceptadas en elcuerpo teórico de conocimientos inicial. Muchas veces, esta impulsividad o falta de refle-xión metodológica conduce, a la hora de explicar fenómenos naturales, a la búsqueda desoluciones basadas en relaciones causales simples, inspiradas en criterios poco rigurososcomo, por ejemplo, la proximidad espacial, la concurrencia temporal o la semejanzaentre el efecto y la causa (Pozo y Gómez, 1998).

Entre las formas de razonamiento espontáneo que ha detectado la investigación, yque pueden actuar de barreras epistemológicas y metodológícas, destacan la fijación yla reducción funcionales. La fijación funcional consiste en el aprendizaje memorísticode relaciones (conceptos y reglas) que impiden la reflexión y el pensamiento creativoante situaciones reconocidas por el sujeto cognitivo (Andersson, 1990; Furió y Escobedo,1994). Así, por ejemplo, cuando se pregunta a los estudiantes de COU cuál es la geome-tría de una molécula sencilla (XYn), frecuentemente la deducen directamente a partir de

426

;>?

1:;'é

la forma que tiene su estructura de Lewis. No se dan cuenta de que esta geometría se hade derivar al analizar la distribución espacial de los pares enlazantes y libres de la capade valencia del átomo central en la molécula (Furió y Calatayud, 1996). Otro tipo derazonamientos de "sentido común" es la reducción funcional (Viennot, 1996) que se,presenta cuando en una situación problemática se tiene que analizar la influencia devarias variables (causas) sobre una función o variable dependiente (efecto). Es frecuenteobservar que el análisis se reduce a ver cómo influye una única variable en la función.Así, por ejemplo, esta reducción funcional se presenta cuando se considera que la entro-pía de un gas ideal solamente depende del volumen del sistema, sin tener en cuenta quetambién pueden influir en aquella función de estado la temperatura o la energía (Candelet al., 1984). Esta reducción funcional vendría a ser la falta de una destreza anterior a lade control de variables. Es decir, para poder efectuar un control de variables de las quedepende una función es previo realizar el oportuno análisis funcional en el que se admi-te que varias causas (variables independientes) pueden actuar y producir un único efecto(variable dependiente o función). Por ejemplo, sabemos que la polaridad de las molécu-las depende de dos variables: la geometría de la molécula y la polaridad de los enlacesentre cada átomo periférico y el central. Se ha observado que, en los estudiantes deQuímica, se dan los dos tipos posibles de reduccionismos funcionales (el geométrico o elde los enlaces) cuando sólo consideran que influye una de las dos variables indicadas(Furió y Calatayud, 1996). Otras formas de razonamiento de "sentido común" aparecencuando el argumento explicativo empleado es complejo y se necesita establecer unasucesión de varias proposiciones en cadena para llegar a una COnclusión lógica. La inves-tigación ha detectado que es.frecuente el uso de razonamientos en forma de secuenciaslineales, basados en un análisis de contigüidad temporal o espacial, hecho paso a paso(causa-efecto) cuando, muchas veces, se requieren análisis globales de lo que ocurre entodo el sistema (Closset, 1992).

En resumen, para poder explicar el pensamiento discente espontáneo sobre elmundo natural, en general, hay que conocer no sólo la componente conceptual delconocimiento del alumnado sino también las visiones ontológicas y las componentesepistemológica y metodológica de cómo razona. Esta epistemología discente deberá con-siderarse como un cuerpo preteórico de conocimientos que podemos tomar como para-digmático en los estudiantes y que, por supuesto, hay que valorar positivamente. Se hade tener en cuenta que el alumnado va a tener que construir los nuevos conocimientos apartir de los que ya posee (Carretero y Limón, 1996).

1.2. Principales dificultades de aprendizaje en la naturaleza corpuscular de lamateria

Como se ha indicado anteriormente, hay muchos trabajos sobre las dificultades de losestudiantes en la naturaleza corpuscular de la materia, pero pocos son los que han orga-nizado la literatura existente. Siguiendo lo indicado por Gabel (998), las principales difi-cultades que se presentan en la comprensión del complejo mundo de la Química puedendeberse a incomprensiones en las interpretaciones macroscópica y/o microscópica de losfenómenos químicos y, también, a la falta de relaciones entre estos dos niveles de ínter-pretacíón de la materia. Esta doble interpretación de los fenómenos químicos ha sido

427

señalada por la bibliografía como fuente de obstáculos subyacentes en las dificultadesque se presentan en la enseñanza de la Química, no sólo en la enseñanza secundaria,sino también en la Universidad. Así, por ejemplo, Barlet y Plouin (1997) han mostradolos obstáculos ligados a la dualidad macro-micro en el aprendizaje de cuatro camposespecíficos de la química universitaria (mecanismos de reacción, estereoisomería, estabi-lidad y reactividad química y la presión y el volumen de gases), al tiempo que señalancómo estos obstáculos están originados por la persistencia de concepciones de "sentidocomún" y la ausencia de "consciencia microscópica", en el sentido de la no utilización dela teoría cinético-molecular de la materia en el análisis de aspectos macroscópicos. Estasdificultades aumentan, como es lógico, en estudiantes de Secundaria que inician susestudios de Química. Fensham (1992) indica que, después de enseñar la naturaleza COf-

puscular de la materia en cursos introductorios de Química, el alumnado no sabe utilizar-la ni aplicarla. Más detalladamente, comenta que los alumnos tienen grandes dificultadesen comprender el modelo corpuscular y, en particular, cuándo han de aplicarlo para.poder explicar las propiedades de los gases.

Las dificultades macroscópicas de los estudiantes respecto a las propiedades de losgases han sido bien investigadas (Stavy, 1991). En un trabajo con estudiantes de edadescomprendidas entre los 10 y los 16 años, para averiguar cómo conciben los gases, Furióet al. (1987) han mostrado que porcentajes muy elevados del alumnado, que van desde

Iun 90 por ciento a los 12 años, hasta un 50 por ciento en alumnos de eou y que hanestudiado Química durante tres años, mantienen concepciones alternativas persistentessobre los gases, derivadas de la experiencia física y de la cultura popular. Estos modelosmentales alternativos conciben al gas como algo sustancial con muy poco estatus mate-rial debido a que es poco "corpóreo" y no se percibe. La idea de su poca materialidadC'apenas tienen masa y/o peso") viene reforzada por la observación de que habitualmen-te flota. Se comprende, pues, que los estudiantes jóvenes sí acepten la existencia de losgases, y del aire en particular, cuando perciben alguno de sus acciones o efectos ensituaciones dinámicas (por ejemplo, cuando hay viento) y difícilmente lo hagan en situa-ciones estáticas, a no ser que se perciban algunas de sus propiedades, como el color o elolor (Séré, 1986). Normalmente, en este modelo mental se comprueba coherentementeque el gas ejerce presión hacia arriba y se comprende que no se acepte la existencia dela presión atmosférica, ya que "no se nota". A título de ejemplo, cuando se preguntó a ungrupo de alumnos de segundo de Magisterio porqué no caía el agua del interior de unabotella invertida en un recipiente abierto y lleno de liquido, solamente cinco de los 33alumnos encuesta dos aportó ideas cercanas a admitir que la presión atmosférica externaera la que impedía la caída (Hernández, 1997).

En este mismo sentido, la investigación ha mostrado que la idea de que el aire tieneoxígeno es aceptada por los estudiantes en situaciones antropocéntricas (cuando se rela-ciona con la salud de las personas, como por ejemplo en la respiración, la nutrición deseres vivos, etc) pero no en otras situaciones más contextualizadas en el estudio de laQuímica, como combustiones de materiales orgánicos, oxidación de metales, etc. Porejemplo, en el caso de la combustión de la gasolina,. es bien conocida la cuestión en laque se preguntó a alumnos ingleses de 16 años, cuál era el peso de los gases de escapeproducidos al quemar los 30 kg de gasolina del depósito de un coche. La mayoría de losalumnos respondió que los gases pesarían menos de 30 kg, basándose en que el líquidose convertía en gas y, por tanto, se perdía peso. Otros indicaban que pesarían lo mismo y

428

razonaban directamente mediante la aplicación del principio de conservación de la masa,sin tener en cuenta al oxígeno como reactivo.

COfllOuna muestra más de las dificultades que se presentan respecto a la conserva-ción de la.masa en una reacción química y cómo las respuestas de los estudiantes estáncondicionadas por la percepción que éstos tienen acerca de lo que ocurre en los proce-sos físicos y químicos cuando se forman o participan gases, se presentan los resultadosobtenidos con una muestra significativa de más de 1000 estudiantes de EGB, BUP y COU(12 a 18 años) en un cuestionario de 5 ítems. Las preguntas se diseñaron de manera quepresentaban un gradiente perceptivo en la desaparición de materia corpórea (sólidos olíquidos) por formación de gases (figura 18.1).

Así, por ejemplo, el ítem 2 se refería a la predicción del peso de un recipiente hermé-tico donde un líquido se había vaporizado totalmente, mientras en el ítem 5 se pregunta-ba lo mismo, pero referido a la disolución de un poco de azúcar en agua (la prueba con-servativa de Piaget). Las situaciones de los ítems 6, 7 Y 8 eran intermedias y se referían,respectivamente, a la disolución de una aspirina efervescente en agua, a la oxidación depolvo de hierro y a la combustión de un papel, siempre en recipientes cerrados (Furió et

al., 1987; Hernández, 1997)

CONSERVACiÓN DEL PESO EN PROCESOS FíSICO-QuíMICOS

80 I '--'.'/'., 'i,,~·J'·_L,;\~.:.~.""'~:·<",i: • ,. ,- $ <.•.;:;::'~;:\.~, <t'(.~f~;!¡','''·'''n'. ITEM 5: Disolución delozúcor.

~ 70 ITEM'6: Disolución de'" lo ospirino.<Q< 60 lTEM7: Oxidoción delvo hierro.>S SO lTEM8: Combustión~'" del popel.<•...

40 lTEM 2: Voporizoción.~:>e,

'"... 30""...Q

:2 20•...z...v

"" 10oe,

OtTIM5 mM6 tTEM7 ITEM8 tTEM2

Figura 18.1. Resultados encontrados al encuestar a 1198 estudiantes desde 7° EGB hasta Químicade eou sobre la conservación del peso en procesos físico o químicos donde intervienen gases..

En cuanto a las dificultades microscópicas que se plantean en esta temática a los estu-diantes, también han sido bastante investigadas. De entrada, resaltar, como se decía ante-riormente, que en la enseñanza se da escasa importancia a razonar las propiedades físi-

429

cas o químicas mediante el modelo de partículas de la materia (DuschI, 1995). En unreciente trabajo (Domínguez et al., 1998) se presenta un resumen de las ideas alternativasal modelo cinético de la materia, basado en un conjunto de artículos (Nussbaum yNovick, 1982; Séré, 1986; Llorens, 1991 y Sanmartí e Izquierdo, 1995) como el que sigue:

a) Los estudiantes atribuyen, como ya se ha dicho, comportamiento macroscópico alas partículas. Así, por ejemplo, consideran que las partículas de la materia se pue-den fundir, evaporar, disolver, contraer, dilatar, tienen color, etc, .

b) Los estudiantes difícilmente aceptan la idea de que no exista "algo" entre las partí-culas. A veces, indican que entre las partículas de un gas hay aire.

c) Coherentemente con el modelo corpuscular de sólido sin huecos abundan con-cepciones estáticas de la materia. Piensan que, habitualmente, las partículas estánen reposo o, en todo caso, dejan de moverse cuando se enfrían.

En resumen, mientras los gases no sean considerados' macroscópicamente como cuer-pos tan materiales (con masa, volumen, densidad, presión, etc.) como los sólidos y líqui-dos que pueden interaccionar sustancialmente, es lógico que los estudiantes tengan difi-cultades en la comprensión de los cambios químicos (Hesse y Anderson, 1992) y en laaceptación de la ley de la conservación de la masa en estos procesos (Furió et al., 1987;Stavy, 1990). Parece que la idea predominante en su modelo de materia es la de un sóli-do formado por partículas que lo llenan todo, modelo que se extra pala a líquidos ygases. Esta idea nos recuerda la hipótesis de "horror al vacío" que se aceptaba antigua-mente para explicar porqué no cae el agua de la botella invertida, hipótesis aceptadacomo evidencia de "sentido común" y que era la hegemónica hasta que se puso en cues-tión con la hipótesis del "mar de aire" ae Torricelli y Pascal. Pero, en coherencia con susvisiones ontológica y empirista sobre el mundo natural, no parecen tan persistentes yestables estos' modelos mentales de los estudiantes sobre la estructura corpuscular de lamateria. Finalmente, la investigación ha puesto claramente de manifiesto que los estu-diantes no establecen relaciones entre los aspectos macroscópicos y los microscópicos'cuando hay que explicar la materia y sus propiedades.

1.3. Sobre el concepto estructurante de sustancia

En el supuesto de que los estudiantes hayan vencido las dificultades que se presentanen la aceptación macroscópica de los gases como materiales que intervienen en los pro-cesos, hay otro gran grupo de obstáculos que pueden dificultar la comprensión de loscambios químicos. Nos referimos a los problemas relativos a los conceptos de sustanciaquímica y de compuesto químico, que son prerrequisitos conceptuales necesarios parapasar después a conceptualizar cambio químico y poder diferenciarlo de cambio físico.Como indica Llorens (1994), los estudiantes que se inician en la Química tienen "dificul-tades para adquirir el concepto de sustancia pura y su capacidad de conceptualizaciónllegará, en todo caso, a la noción de material (madera, aire, etc.) como toda aquella clasede materia caracterizada por algún rasgo relacionado con su utilidad o con algún fenó-meno especialmente relevante para los alumnos, tal vez como una especie de "agenteportador" de una propiedad: una especie de principio que muchas veces representa lasustancialización de una propiedad (Llorens, 1987; Sanmartí, 1990). No es de extrañar,por tanto, que agua y hielo, o el aluminio de una pieza y el aluminio en polvo, por citaralgunos ejemplos, se consideren como sustancias distintas".

430

A nuestro entender, la cuestión radica fundamentalmente en que la enseñanza desecundaria no tiene en cuenta el significado que los alumnos dan a estas palabras, signifi-cado que es el que le da su contexto cultural. Así por ejemplo, el concepto macroscópicode sustancia química que emplean los estudiantes es sinónimo del de materia, y es elaceptado mayoritariamente en el propio contexto cultural cotidiano del estudiante. Laenseñanza de la Química hace bien poco por establecer las diferencias macroscópicasentre lo que es una sustancia y cualquier material o producto observable (papel, tiza,lápiz, etc) que, en general, representan para el químico mezclas de sustancias. En la vidacorriente, todos los materiales, productos o sustancias son considerados como mezclasde elementos. De ahí se deriva que los elementos, últimos componentes de cualquiermaterial, para el alumnado sean, paradójicamente, las sustancias puras (Pozo yGómez, 1998). Esta visión ontológica de la materia tiene grandes similitudes con la asu-mida por la filosofía natural griega, si bien, a los cuatro elementos terrestres griegos (tie-rra, agua, aire y fuego) se les daba connotaciones metafísicas y, por tanto, no tenían exis-tencia real. Esto es; los elementos eran considerados sustancias abstractas que represen-taban materialmente a una o dos propiedades (Solsona e Izquierdo, 1998). Por el contra-rio, los estudiantes relativizan el concepto de sustancia y dan mayor importancia a la cla-sificación de los materiales en mezclas más o menos íntimas. Parece que prevalezcacomo problema estructurante el de las mezclas en cuya clasificación (homogéneas yheterogéneas) se usa como criterio el de la observación.

También, se plantearán los estudiantes el problema del reconocimiento o caracteriza-ción de los materiales (mezclas) y, para ello, emplearán alguna de las propiedades cuali-tativas observables que les resulten más relevantes (color, olor, sabor, origen natural oartificial, utilidad, etc.). En este contexto se ha señalado que los estudiantes de EGB(12/13 años) suelen emplear explicaciones sustancializadoras de las propiedades (seme-jantes a las que se dieron a lo largo de la historia), atribuyendo a esta causa las dificulta-des que tienen para diferenciar entre los conceptos de mezcla y compuesto (Sanmartí,1990; Sanmartí e Izquierdo,¡ 1995). Los alumnos consideran al material o a la sustanciacomo 'portadora' de propiedades específicas perceptibles. No es de extrañar que utilicencomo principal criterio par~ saber si en un cambio se conserva o no el material, lo queocurre con la propiedad específica en la que se han fijado. Así por ejemplo, se puedecomprender que al añadir ácido nítrico a un hilo rojo de cobre y preguntar qué ha pasa-do con el cobre, indiquen que está en los gases pardo rojizos que se desprenden en elproceso. Es decir, estos alumnos son conservativos de la propiedad 'color rojo' que atri-buyen específica mente al cobre y, por ello, hacen un seguimiento fijándose en qué pro-ducto tiene la propiedad que permite caracterizar al cobre. En este mismo sentido, no sedebe olvidar que famosos psicólogos como Piaget han utilizado también la conservaciónde una propiedad cualitativa para mostrar que existía un atomismo simple en el pensa-miento de los niños de 8 a 10 años. En efecto, una de las pruebas empleadas en las entre-vistas clínicas piagetianas consistía en diagnosticar la conservación del azúcar preguntan-do a los niños y niñas qué había pasado con la sustancia al disolverla en agua y desapa-recer de su vista. Unos indicaban que desaparecía mientras otros, los conservativos de lasustancia, señalaban que el azúcar seguía estando allí en forma de pequeños granitosaunque no se viera. Estos últimos argumentaban que la disolución también estaba dulcecomo el azúcar inicial. Es decir, la prueba de la conservación del azúcar en el proceso sebasaba en admitir la 'conservación de la dulzura' en el producto obtenido (la disolución).

431

No obstante, se hubiera llegado a una conclusión errónea si en lugar de tomar azúcar ydisolverlo, se calentara por ejemplo un poco de clorato potásico hasta descomponerlo yquedara un residuo de cloruro potásico. Los niños serían conservativos de la sustanciainicial al probar que el polvo blanco inicial también era salado como el del KCl obtenido.

La dificultad principal no estaría, por tanto, en que los estudiantes tomen como crite-rio para decidir si ha habido cambio sustancial el de la no permanencia de las propieda-des de la sustancia. De hecho, la definición operacional (macroscópica) de sustancia resi-de precisamente en que ésta tiene un conjunto de propiedades específicas que permitensu caracterización. El error metodológico estaría en extraer conclusiones a partir de laconservación de una única propiedad cualitativa no muy específica como, por ejemplo,el sabor, el color o el aspecto. Y éste parece ser el criterio superficial que siguen los estu-diantes de Química cuando se les pregunta si ha habido cambio químico en experimen-tos no conocidos por ellos como, por ejemplo, la fusión de polvo amarillo de azufre alconvertirse en un líquido rojizo que sigue siendo la misma sustancia. La contestaciónmayoritaria comprobada en alumnos de 32 de BUP y de Química de COU (un 50 porciento) es que se trata de una reacción química debido al cambio de color (Furió et al.,1994a). Por el contrario, el criterio científico a seguir se basaría en la caracterizaciónmacroscópica de las sustancias a partir de la contrastación dé varias propiedades (no sólouna) y si, por necesidad, se ha de elegir una convendría seleccionar aquella que fuesemás específica (p.ej., un reactivo específico) y, a ser posible, más objetiva (por ejemplo,que se pueda medir instrumentalmente como la temperatura de fusión o de ebullición, ladensidad, el índice de refracción, etc.). Así por ejemplo, se puede plantear a un grupo dealumnos cómo saber si la naftalina (el naftaleno) y la parafina (mezcla de hidrocarburossaturados de alto peso molecular) son mezclas o sustancias. Los alumnos pueden propo-ner la observación del punto de fusión de cristales de cada una de las muestras para lle-gar a tener indicios racionales de una respuesta más fundamentada. Al hacerlo en ellaboratorio observarán que la naftalina funde súbitamente a 80 2C mientras que la parafi-na tiene una banda de fusión que puede ir desde los 45 2C hasta los 65·2C según la com-posición de esta mezcla.

En resumen, un primer obstáculo a vencer por los estudiantes para comprender loscambios químicos consistirá en aprender significativa mente el concepto macroscópico desustancia química y saber diferenciarlo del de mezcla, que es como se presentan lamayoría de los sistemas materiales o productos que manejamos en la vida ordinaria.Llegados a este punto conviene indicar que hay pocos trabajos de investigación sobre lasvisiones microscópicas que tienen los estudiantes sobre lo que es una sustancia en gene-ral. Hay algún artículo específico sobre cómo ven las moléculas de los ácidos (Nahkleh,1992) en el que vuelven a aparecer concepciones que se han dado en nuestro pasadohistórico como, por ejemplo, que tienen aristas con las que se explica su actividad corro-siva (interpretación basada, como ya se vio en el apartado 18.1.2,en la transferencia delas propiedades macroscópicas de la sustancia a las partículas). También se ha puesto derelieve en la literatura la ausencia de relaciones entre los perfiles macroscópico y micros-cópico del concepto de sustancia. No es, de extrañar que cuando se hacen preguntas aestudiantes de Ciencias en Magisterio sobre el número de sustancias existente en siste-mas materiales representados microscópicamente en forma de bolitas (figura 18.2), indi-quen mayoritariamente que cada bolita corresponde a una sustancia distinta. Es decir, sedesconoce la idea microscópica de sustancia como conjunto de muchísimas partículas

432

1ll

•~,

~,~<it

~.t1

rl

it'.

todas iguales. Tal vez influya en ello el abuso de un formulismo memorístico donde seenfatiza la asociación entre fórmula y partícula en el uso de las ecuaciones químicas ycomo indica johnstone (1993) no se relacionan explícitamente con el nivel macroscópicode las sustancias.

@ooO

Cf] 6)

W-

(51

En el dibujo adjunto se han representado 5 sistemas químicos gaseosos que pueden tener una o varias sustancias. Cado bolita simho-liza un átomo y las del mismo color representan átomos iguales. Indica cuántas sustancias hay en cada sistema material y explica elcriterio utilizado.

~20~

go8 º000 (3

002000

8 00 O 8 @s8 ~ O 8€>O

00 e~(1) (21 (31 (4)

Sistema (l): ;Sistema (21: ;Sistema (31:

Sistema (41: ;Sistema (5):

Explicación de los criterios utilizados:

Figura 18.2. Pregunta planteada a un grupo de estudiantes de Química de 22 de Magisteriopara elreconocimiento microscópico de sustancias.

1.4. Sobre la idea de compuesto químico

Consecuencia lógica que se deriva de la falta de diferenciación del concepto rnacros-cópico de sustancia que se ha indicado en el apartado anterior 18.1.3, es la gran dificul-tad con que se encuentran los estudiantes al considerar que la mezcla (homogénea) desustancias es lo mismo que el compuesto. Así por ejemplo, se ha comprobado en gruposde estudiantes mejicanos de Bachillerato (17 a 19 años) que la mitad de ellos opinan quelo obtenido cuando se disuelven sustancias conocidas como cloruro sódico o azúcar enagua son compuestos. En este caso aluden, paradójicamente, a la conservación del sabory al aumento del volumen (Valdez et al., 1998). Esta identificación entre mezcla y com-puesto también se ha comprobado mayoritaria mente (80 por ciento) en grupos de estu-diantes de 22 de Magisterio al proponerles la realización de un mapa conceptual con 15palabras clave de Química. En la figura 18.3 se puede observar como el término 'com-puesto' resulta más inclusor que el de 'mezcla'. Es decir, el concepto 'compuesto' se pre-senta por la casi totalidad de los estudiantes más general que el de mezcla, cuando desdeel punto de vista químico debería ser al revés.

I!~,\'111~.

433

Nombre: Juan Grupo: 2~ A

Realizo un mapa conceptual que relacione los siguientes palabras: heterogéneo, azufre, compuesto (o sustancio compuesto),mezclo, solfumán, aire, agua, sustancio simple, homogéneo, materia, sustancio, cobre,leche, disolución, butano.

I le¡he I I aire I I butano I

Figura18.3. Mapa de conceptos básicos de Química realizado por un estudiante de Magisterio.

Al mismo tiempo puede observarse en el mapa conceptual del estudiante que los tér-minos materia (para ellos más general) y sustancia son sinónimos como ya se indicó enel apartado anterior. Esta identificación ocurría en la casi totalidad de los mapas de lamuestra de estudiantes.

Otra derivación de la idea de que todo se presenta mezclado y que ha sido detectadapor Llorens (987) y Sanmartí (1990) es el significado que dan los estudiantes a la expre-sión 'sustancia pura'. Para ellos las 'sustancias puras' serían las sustancias 'sin mezclar',esto es los últimos componentes que conformarían las mezclas o los compuestos y, portanto, se asociarían fácilmente con los elementos químicos. Vendrían a ser una especiede elementos aristotélicos (esencia de las mezclas más o menos íntimas) pero dándolesexistencia real. Esta idea se ve reforzada cuando los profesores presentamos, en el perfilmicroscópico, a los elementos químicos como un sistema material formado por una clasede átomos iguales y aislados. Por tanto, las moléculas (bien sean de átomos iguales odiferentes) como partículas complejas que son, se asociarán a las mezclas o a las sustan-cias compuestas como mezclas de elementos químicos o, peor aún, como mezclas desustancias simples.

1.5. ¿Cómo modelizan los alumnos los cambios químicos?

De las características generales del pensamiento discente espontáneo, así como de las

434

ideas y formas de razonamiento que manejan los estudiantes sobre los conceptos de sus-tancia y compuesto químico tratados en los apartados anteriores, se pueden derivar lamayor parte de los modelos mentales que puede usar el alumnado para interpretar loscambios físicos y químicos que ocurren a nuestro alrededor.

En primer lugar, al no tener asimilado el concepto operacional (macroscópico) desustancia como cuerpo caracterizado por tener un conjunto de propiedades específicasy, por el contrario, tener una idea ambigua donde se asocia la idea de sustancia con la dematerial, es de suponer que al preguntarles por la conservación o no de la sustancia enun cambio traten de concluir si es físico o químico empleando algún criterio superficialcomo es su caracterización a través de alguna propiedad cualitativa observable. Si en lapregunta solamente aparece una sustancia no conocida y no se presenta en el texto nin-gún rasgo característico de la misma, será difícil encontrar respuestas fundadas. Inclusocuando las sustancias utilizadas son conocidas por los estudiantes, es de esperar eleva-dos índices de fracaso en el conocimiento declarativo de cuándo se puede considerarque un proceso es físico o químico. Por ejemplo, se ha mostrado que, en un 50 por cien-to, el alumnado de BUP no sabe distinguir la vaporización del alcohol de su combustión(Carbonell y Furió, 1987).

En el caso de que se aumente la complejidad del proceso, como por ejemplo queinteraccionen dos sustancias poco conocidas (o que una de ellas sea un gas), se presen-tarán muchas más dificultades y una diversidad de interpretaciones. En efecto, según seala 'selección perceptiva' que hagan los estudiantes de los estímulos observables que sepresenten en el proceso, así será la interpretación que hagan. A este respecto, se com-prende la diversidad de modelos mentales alternativos sobre el cambio químico detecta-da por Andersson (1990) al encuestar a grandes muestras de estudiantes suecos de 12 a16 años sobre lo que sucede ouando se quema la gasolina de un coche, citada en el apar-tado 18.1.2. Estos modelos se ~esumen a continuación:

a) El cambio químico concebido como desaparición deproductos, donde muy pocosestudiantes hacen mención de los gases de escape.

b) La reacción química imaginada como un desplazamiento de materia ordinaria,donde los componentes del reaccionante desaparecen del material original y apa-recen en otro lugar. Aparte de las combustiones de la gasolina o de la madera (eneste caso sólo se quemaría o desplazarían los componentes combustibles de lamadera), también se pone como ejemplo la disolución de azúcar en agua, siempreque no se llegue a la saturación.

c) Una tercera categoría de reacción química es la modificación, en la que el materialvaría su apariencia pero sigue manteniendo su identidad. Cambia, sin embargo,alguna de sus propiedades iniciales (aspecto, color, etc.).

d) El proceso químico entendido como transmutación del material, donde se agrupanmuchas subcategorías como por ejemplo, considerar que las sustancias se transfor-man en otras nuevas sin relación alguna con las originales, la conversión de lamateria en energía o de energía en materia, etc. Suelen asociar esta idea con algunaanalogía familiar que han registrado en su memoria al observar algún suceso.

e) Y finalmente la reacción como interacción sustancial próxima a la aceptada porel modelo atómico daltoniano.

El autor llama la atención en que solamente el 2 por ciento de las respuestas de lamuestra total de alumnos se han clasificado en esta categoría.

435

También se indica que las respuestas dependen del tipo de pregunta y de la experien-cia de los alumnos, si bien en la descripción general de la materia utilizan un modelocontinuo, estático y sin vacío. En efecto, por nuestra parte se realizó una encuesta antefenómeno con un grupo de 33 estudiantes de Química de Magisterio (edades entre 20 y23 años) que confirmó la existencia de aquellas categorías de Andersson, si bien dada laedad y experiencia de los alumnos se constató una mayor riqueza de pensamiento(Hernández, 1997). La encuesta se llevó a cabo en un contexto de revisión de la teoríaatómica que la mayoría ya había estudiado en cursos anteriores de Bachillerato y COU. Elprofesor calcinó una laminilla de metal gris brillante y lisa de Mg (4 cm) delante de todala clase y solicitó que describieran individualmente y por escrito el cambio químico ocu-rrido, al tiempo que tenían que explicar cuál debería ser el peso de la cal obtenida enrelación al peso del Mg original. Se buscó a propósito este experimento por la variedadde estímulos· perceptivos que se dan en el fenómeno pues siguiendo lo indicado porKempa y Ward (1988) los alumnos seleccionarían los que para ellos fueran más relevan-tes. Los estímulos observables que pueden presentarse son: 1) se aproxima una cerillaencendida hasta que el Mg empieza a arder; 2) aparece una espectacular llama con luzblanca deslumbrante; 3) la elevada temperatura del procesp hace que se formen humosde color blanco que puede ser parte del óxido formado; 4) pero la mayor parte del óxidoqueda en forma de laminilla blanca un poco arrugada que se presentó como la 'cal demagnesia'. Así por ejemplo, si el estudiante se fijaba en los kólidos inicial y final (estímu-lo 4) explicaba que se tenía el mismo magnesia pero había cambiado su color y aspecto(es decir, era una modificación, modelo e indicado por Andersson). En cambio si a estapercepción del cambio de aspecto del sólido se unían la de·la llama (estímulo 2) y la for-mación de humos (estímulo 3), entonces la explicación era analógica con la de la com-bustión de la madera. En este caso se consideraba que la reacción química producida eraun desplazamiento de los componentes del magnesia que se queman y forman el humo(modelo b) y, al mismo tiempo, una modificación para la parte no quemada (cal). Estasinterpretaciones se parecen a las dadas por la teoría del flogisto en cuanto a que estable-cían una relación analógica entre la calcinación del metal y la combustión de materialesorgánicos. También se presentaron transmutaciones (modelo d) en las redacciones cuan-do era hegemónica la atención puesta en la formación de humo blanco, que algunoidentificaba con el anhídrido carbónico, o cuando el estudiante se fijaba en la gran canti-dad de energía producida. En este último caso se utilizaba coherentemente un principiode la conservación de la masa y de la energía para concluir que el peso del magnesia eramayor que la de la cal obtenida. Solamente dos de los 33 estudiantes dieron respuestasacordes con la interpretación química de lo que es una reacción.

1.6. Dificultades de aprendizaje en la resolución de problemas de Qu~ca

A tenor de lo indicado por la experiencia de muchos profesores de Química, la bajademanda cognitiva que supone el uso exclusivo de razonamiento proporcional requeri-do por la mayoría de los ejercicios elementales que se proponen, por ejemplo, en este-quiometría, sería la razón del éxito mayoritario -de los estudiantes ante este tipo de pro-blemas. Sin embargo, no se debe olvidar que la aplicación de estas relaciones proporcio-nales depende fundamentalmente del contexto en el que se incluye la tarea y del domi-nio que sobre el contexto tiene el sujeto que la resuelve. Detengámonos brevemente en

436

el contexto de la tarea y analicemos cómo actúa el profesor y qué supone para el alum-no. En el contexto de la estequiometría, con sus ecuaciones y fórmulas químicas, el pro-fesor muestra todo un mundo simbólico que tiene dos 'lecturas' claramente relacionadaspara el experto: la 'lectura' del nivel microscópico de los procesos químicos (entidadesen forma de átomos y moléculas que interaccionan reestructurándose y conformandonuevas moléculas con los mismos átomos) y la del nivel macroscópico de la reacciónquímica como interacción sustancial. El profesor al resolver problemas enfatiza funda-mentalmente el nivel microscópico, no explicita su relación con el macroscópico y pasadirectamente en este último nivel a establecer las relaciones cuantitativas pertinentes. Elaprendiz asiste a este discurso fundamentalmente microscópico con el que no está fami-liarizado e intenta utilizar su visión ontológica y empirista basada en un mundo rnacros-cópico para resolver las tareas que se le plantean. Ello quiere decir que, en: general, lasignificación atomista de este mundo simbólico (fórmulas y ecuaciones) para el alumna-do será bastante pobre y, por tanto, es de esperar que pase a utilizar los razonamientosproporcionales que, en forma de rutina macroscópica, le sirve en bandeja el profesor.

No es de extrañar, pues, que ante ejercicios elementales de aplicación de, por ejem-plo, la ley de las proporciones constantes como la de la tabla 18.4, al cambiar la formahabitual de preguntar a los estudiantes se eleve de forma alarmante el fracaso escolar(Furió et al., 1994a). En efecto, llegar a una respuesta correcta en esta pregunta requierehacer un análisis previo del reactivo limitante en el proceso. Los datos que se dan en elejercicio corresponden a las masas mezcladas (rpero no a las que se han combinado!) delos dos reaccionantes y esta destreza normalmente no forma parte habitual de las ense-ñanzas de la estequiometría. Es decir, la didáctica de la resolución de estos problemas noeafatíza la reflexión y debate de situaciones problemáticas abiertas como un cambiometodologico donde se familiarice a los alumnos con habilidades características en losprocedimientos científicos (Furió et al., 1994b). En cambio se favorecen los razonamien-tos de 'sentido común' y la búsqueda rápida de soluciones basadas en rutinas aprendidasmemorísticamente.

Si se calientan 2 9 de S en polvo con 4 9 de (u se obtiene uno nuevo sustancio, el sulfuro de cobre, y prácticamente no quedo nodode los sustancias de partido. Si ahora calentamos 4 9 de S con 6 9 de (u, ¿qué posará? (Elige lo respuesto correcto y do uno explke-ción).

Al Se forman 10 9 de sul/uro de cobre y no quedará S ni (u. B) Se forman 9 9 de sul/uro de cobre y quedan l 9 de (u.CI Se forman 8 9 de sul/uro de cobre y quedan 2 9 de (u. D) Se forman 6 9 de sulfuro de cobre y quedarán 2 9 de S y 2 9 de (u.E) No lo sé.

(urso N 0/0 respuestas correclas

2' BUP 144 22

3' BUP 183 / 26/

c.O.U. 197 30

Tabla 18.4. Porcentaje de respuestas correctas en una pregunta cuantitativa elemental sobre la leyde las proporciones constantes en estudiantes de Bachillerato y COU.

437

Así pues, aprovecharemos los distractores puestos en este ítem de opción múltipleque han sido extraídos de las categorías de respuesta que habían dado otras muestras deestudiantes a la misma pregunta pero abierta, para mostrar cómo se ponen de manifiestoestrategias basadas en la metodología de sentido común como se indicaba anteriormenteen el apartado 18.1.1. La respuesta (a) cuyo porcentaje ha sido mayoritario en los adoles-centes más jóvenes era explicada basándose en la aplicación del principio de conserva-ción de la masa de los reaccionantes, coherente con la idea de que basta con mezclaraquellas sustancias reactivas para que tenga lugar la reacción de todo lo mezclado. Losestudiantes que han elegido el distractor (e) disminuyen la demanda cognitiva de la tareaideando una regla heurística simple donde la proporción en peso de combinación de losreactivos es de 1:1, por lo que se combinarán los 4 g de azufre con 4 de cobre y sobrarán,por tanto, 2 g de este metal (Pozo y Gómez, 1998). Finalmente los que eligen el distractor(d), preferentemente alumnos de COU, utilizan la fijación funcional de las masas de losreaccionantes dadas en el enunciado del ejercicio. Por tanto, sobrarán 2 g de cada reactí-va. Llama la atención que prácticamente no haya diferencias significativas a lo largo delcurriculum de Secundaria y que solamente la tercera parte de los estudiantes elijan la res-puesta correcta (b).

En el caso en el que la tarea demande explícitamente estrategias de razonamientodonde se ha de poner de relieve la relación entre los niveles macroscópico y microscópicode un proceso químico, se presentarán obstáculos epistemológicos de mayor grado no sóloentre estudiantes de Secundaria sino también entre graduados universitarios. Por ejemplo,para resolver razonada mente el problema propuesto en la tabla 18.5, los estudiantes hande aplicar de manera significativa las hipótesis de Avogadro a una reacción química entregases. La primera de aquellas hipótesis establece la relación directa entre el volumen y elnúmero de partículas de los gases cuando se mantienen constantes su presión y temperatu-ra. Aproximadamente la mitad de la muestra de profesores de Física y Química en forma-ción (C.A.P.) a los que se propuso este problema no dio una respuesta correcta. Por otraparte, muchas de las respuestas declarativas correctas apenas verbalizaron o explicaron demanera racional cómo las habían encontrado. Ello refleja muy claramente el poco énfasisque ponemos los profesores en las estrategias, los argumentos o las explicaciones de losalumnos al resolver problemas de química (Duschl, 1995; Furió, 1997).

Problema: 100 mI del gas fluoruro de hidrógeno (HF) se combinan con 50 mi de difluaruro de dinitr"ógeno (N¡F2), también qoseo-so, y se forman 100 mi de un gas único. Todas los volúmenes han sido medidos a la misma presión y temperatura. ¿Cuól es la fórmu·lo de las moléculas del gas obtenido? -.,.

Resultados obtenidos en muestras de estudiantes y de profesores en formación

Muestra N % resp. cerrectes % resp. en blanco

3' BUP 57 9 47

eo.u. 129 32 29

CAPFis/Ouim. 76 49 22

Tabla ]8.5. Ejemplo de problema 'difícil' en el que se ha de relacionar una magnitud macroscópica(el volumen de un gas) con otra microscópica (el número de partículas). (Hemández 1997).

438

~.}~ .,

y no podemos concluir este breve apartado dedicado a las relaciones cuantitativas enlos cambios químicos, sin hacer alguna mención explícita del principal escollo concep-tual que, a tenor de la investigación en didáctica de la química, tienen los estudiantes: elconcepto de cantidad de sustancia, n, y el de su ·unidad, el mal. En efecto, si hay unconcepto clave al que la investigación ha dedicado más de un millar de artículos, éste esel del concepto de mal (Dierks, 1981). No ha ocurrido así con el concepto más joven decantidad de sustancia. Estamos de acuerdo con Pozo y Gómez (1998) en que 'este con-cepto (el mal) resulta oscuro y difícil de comprender y aplicar por la mayoría de losalumnos' y nos atrevemos a añadir que también lo es para la mayoría de los profesoresde Química! El profesorado, en general, desconoce que la cantidad de sustancia, n, esuna nueva propiedad general de la materia ordinaria ideada por los químicos para com-parar macroscópicamente la cantidad de partículas (entidades elementales) en porcionesde sustancia y que es distinta a la masa y a la cantidad de partículas. Y no es uria casuali-dad, a nuestro entender, que precisamente esta magnitud creada explícitamente paraestablecer relaciones entre los niveles macro y microscópico de los cambios químicosresulte tan compleja. En general se ha comprobado que el profesorado no enseña el con-cepto de cantidad de sustancia porque le atribuye un significado de masa (confunde'cantidad de sustancia' con 'cantidad de materia') o de número de partículas y, en cam-bio, enseña como nuevos conceptos el mal y el 'número de moles'. Pero el mal es identi-ficado por la mayoría de profesores y libros de texto con una unidad de masa química ocon un número de partículas. Así en entrevistas hechas a 47 profesores de Química deBachillerato y de Universidad, solamente un 11 por ciento considera que el mal es la uni-dad de cantidad de sustancia, mientras un 23 por ciento le atribuye significado de masa yun 66 por ciento dice erróneamente que es un número de Avogadro de partículas. Unestudio similar realizado con 87 libros de texto de Química de secundaria y deUniversidad, editados entre 1'976 y 1996, da cuenta de que para la mitad (50.6 por ciento)de los libros, el mol es una unidad de masa química y para la quinta parte (21.8 por cien-to), es un número de entidades elementales (Azcona, 1997; Azcona y Furió, 1997).

Estos resultados no han d~ alarmamos, ya que los conceptos de cantidad de sustanciay mal no tienen más de un siglo de existencia. El mal fue introducido por Ostwald en1900 y la cantidad de sustancia después en 1961 por la IUPAC. Ahora bien, lo que noconoce el profesorado es el contexto socio histórico en el que fueron introducidos.Conviene recordar que todo el siglo XIX se caracteriza en la Química por la lucha entre elparadigma 'equivalentista' (preocupado por matematizar los procesos químicos buscan-do las masas de combinación o pesos normales de las sustancias basándose en las leyesde Lavoisier -conservación de la masa- y la de Richter, entre otras) y el 'atomista' (basadoen la hipótesis atómica presentada por Dalton y en la molecular de Avogadro, ésta últimamucho más problemática y menos aceptada en la comunidad química durante el sigloXIX). Ostwald, uno de los padres de la Química-Física actual, se declaraba en 1900 como'equivalentista', es decir, creía en los "hechos" (leyes de la conservación, de las propor-ciones constantes y de los equivalentes), creía menos en la hipótesis atómica y nada en lamolecular. Argumentaba que las hipótesis eran ideas fácilmente cambiables mientras loshechos no lo eran. Esto mismo se puede leer en la presentación de su obra original"Grundlinien der Anorganische Cbemie" que fue el principal manual europeo deQuímica Inorgánica de principios de siglo XX. En este texto se expresa claramente cómointroduce el concepto de mal al tratar de resolver el problema de si al agua oxigenada le

439

correspondía la fórmula HO ó H202.· Y lo inventa para no utilizar el concepto de molé-cula-gramo que empleaban los atomistas. Literalmente dice: u ••• Así se ha constatado quesi se diluye un mol (el peso normal o molecular de una sustancia expresada en gramosse debe llamar a partir de ahora mol) de cualquier sustancia en 1 litro o 1000 g de agua,la disolución resultante congelará a -1.850ºC." (Ostwald 1900). Como puede observarse.en el texto al mol se le atribuye un significado de masa química (la masa molar). Una vezresuelto el problema de las masas atómicas y moleculares ya en el siglo XX (es decir,aceptada la teoría atómico-molecular de la materia), la comunidad química pone el énfa-sis en las partículas que intervienen en los procesos químicos, en contadas macroscópi-camente con la unidad mol y, posteriormente en 1961, se le ha buscado como magnituda la 'cantidad de sustancia'.

En resumen, vencer las dificultades de aprendizaje en la resolución de problemas dequímica implica entender profundamente el significado de los conceptos sobre la materiay sus transformaciones y, además, un cambio epistemológico y metodológico que enfati-ce en el aprendizaje formas de razonamiento más acordes con los 'saber hacer' de la acti-vidad científica.

I

2. ¿QUÉ ENSEÑAR DE lAS REACCIONES QUÍMICAS?! LA HISTORIA DE LA CIEN-CIA COMO REFERENTE EN LA SELECCIÓN DE CONTENIDOS

Una vez presentadas las dificultades que van a encontrar los estudiantes que se ini-cian o ya se han iniciado en el estudio de las reacciones! químicas, convendrá' pasar abuscar soluciones que, desde el punto de vista didáctico, permitan favorecer la supera-ción de aquellos obstáculos en el aprendizaje. Esto es, habrá que plantearse una revisiónde lo que está indicando la investigación sobre la enseñanza eficaz de la química y, enparticular, de los procesos químicos. Una primera cuestión capital que el propio profeso-rado y la didáctica de las Ciencias como cuerpo teórico de conocimientos en este campoha puesto de relieve, es la importancia de que el profesorado tenga un buen conocimien-to de la materia a enseñar (Tobin y Espinet, 1989; Gil et al., 1991). Este buen conocimien-to supone, entre otros, conocer la historia de las ciencias, es decir, conocer los problemasque originaron la construcción de los conocimientos Científicos, cómo llegaron a articu-larse en cuerpos coherentes, cómo evolucionaron, cuáles fueron las dificultades (Saltiel yViennot, 1985; Furió et al., 1987). El conocimiento de estos problemas históricos no sólopuede ayudar al profesorado a anticipar algunas dificultades actuales del aprendizaje (sise acepta como hipótesis la existencia de cierto paralelismo entre aquellos problemas ylos del alumnado) sino también puede ayudarle a seleccionar contenidos que proporcio-nen una visión actual de la ciencia y sean asequibles a los alumnos. Veamos, pues, enprimer lugar, cuáles han sido los principales problemas que han resultado determinantesen el avance del conocimiento químico hasta llegar a constituir la Química corno'ciencíamoderna. En segundo lugar, se pasará a ejemplificar la toma de decisiones sobre quéenseñar de los procesos químicos en secundaria.

2.1. Principales obstáculos que se han tenido que vencer hasta la construc-ción de la Química como ciencia moderna

La historia puede considerarse como fuente de problemas o dificultades que ha ido

440

resolviendo la comunidad científica y, desde este punto de vista, se pueden resaltar bre-vemente una serie de saltos cualitativos que han sido fundamentales a la hora de explicarcríticamente los vaivenes en las construcciones científicas. El conocimiento de estos pro-blemas puede ayudar al profesor no sólo a conocer la historia sino también a poner encuestión visiones aproblemáticas y ahistóricas de la Química que tienen su fundamentoen un positivismo subyacente en el pensamiento docente espontáneo (Duschl y Gitomer,1991). A título de ejemplos relativos a los principales saltos cualitativos que condujeron ala primera teoría de la Química y que debemos conocer los profesores se resaltan losexpresados en el cuadro 18.6. .

Cuadro 18.6. Obstáculos que ha tenido que vencer la ciencia para llegar a configurar la primera teoria de laQuímica.

o) lo superación de les diferencias existentes entre lo materia corpóreo (sólidos y liquidos) y lo no corpóreo o materia 'rara'(gases). El estudio de los gases durante varios siglos (Ciencia Neumótico) llevó o contrastar su comportamiento unitario y supusoun primer poso en lo superación de lo polémico entre materia continuo o discontinuo que condujo o lo naturaleza corpusculor delo materia.

b) Lo renuncio 01 carácter metafísico de los elementos oristotélicos con lo introducción de los conceptos de sustancio y compuestoquímico.

el Los tensiones entre el equivolentismo y el otomismo (siglo XIX)que acabaron con lo aceptación de los hipótesis atómico y mole-culor con los que se reinterpretoron lo estructura de los sustancias (simples y compuestos) y los interocciones sustanciales (cam-bios químicos).

Pasemos a describir con más detalle cómo se resolvieron estos problemas.a) Un primer avance precientífico fue superar la barrera existente entre la materia

corpórea (sólidos y líquidos) y la 'no corpóreao rara' (gases). Para la filosofía aris-totélica los 'aires', los vapores, etc. eran una especie de pneuma , prototipo demateria próxima a lo espiritual y opuesta a los 'cuerpos' que se caracterizaban portener peso, por ser graves. Hay que tener presente el carácter animista y teleológi-co de la Física aristotélica (Gil, 1981) que impregnaba todo el lenguaje. Animistaen el sentido de que todos los seres, objetos, etc., animados o no, tenían (vida y)conciencia como las personas (visión antropocéntrica), sabían lo que eran y loque querían. De ahí que se atribuyan rasgos animistas a la materia inanimadacomo, por ejemplo, el ser viciosa, pasiva, activa, etc, Por otra parte, el carácterfinalista o teleológico de esta física se detecta no solamente en cuanto a que cadacosa tiene intenciones sino en cuanto a que se admite la existencia de causas fina-les en la actuación de los objetos obedeciendo a un plan divino previamente dise-ñado. Las cosas han de tender a ocupar su 'lugar natural' en el mundo que estáconstituido por esferas correspondientes a los elementos que entran en su compo-sición. (Se comprende así que a esta filosofía se le opusiera el mecanicismo que.no creía en causas finales). La esfera del aire estaba por encima de las relativas a latierra y al agua y, por tanto, la materia rara (que tenía mayor proporción de aire)no tenía peso, flotaba y subía hacia arriba. La superación de esta barrera fue posi-ble después de tres siglos y medio de Ciencia Neumática donde se cuestiona la

441

inmaterialidad del aire aceptándose que poseen peso (masa) y volumen como lamateria corpórea. Se caracterizan y diferencian distintas clases de aires generali-zándose por van Helmont en el XVI la idea de gas como tercer estado físico de lamateria. Fue en el siglo XVII cuando se produce un verdadero salto al aceptarse lahipótesis del 'mar de aire' de Torricelli, Pascal, Périer, van Guericke, etc. frente ala del 'horror al vacío', mostrándose que el aire atmosférico también pesa (acepta-ción de la existencia de la presión atmosférica). Finalmente el estudio del compor-tamiento unitario de los gases realizado por filósofos mecánicos como Boyle con-duce a probar cómo el aire tenía también elasticidad como los sólidos metálicos ysupuso una primera etapa en la superación de la polémica entre estructura conti-nua o discontinua de la materia. Se abre así el camino al modelo de Bernoulli, alaceptarse la existencia de partículas en movimiento aleatorio y el vacío. Es decir,lo que hoy denominamos naturaleza corpuscular de la materia gaseosa. Másadelante, una vez aceptada la teoría atómica, se extrapolaría a los sólidos y líqui-dos.

b) Otro salto cualitativo histórico fue la renuncia al carácter metafísico de los elemen-tos aristotélicos con la introducción de los conceptos de cuerpo puro (sustanciaquímica) y, en particular, el de compuesto químico. Veamos brevemente algunosde los postulados usados en la física aristotélica respecto a la composición de loscuerpos terrestres. Para esta filosofía todos los sistemas materiales reales estánconstituidos por mezclas de elementos. Aristóteles asume esta idea de Empédoclesque se refleja bien en la siguiente frase de este último filósofo: ''Ningún ser tiene oposee una naturaleza (propia), antes tan sólo existe la mezcla y la separación delos elementos mezclados'. La idea de elemento viene definida por Aristóteles ensus obras (1977) cuando expresa: "... loprimero entre los componentes de un serson los elementos ... Llamemos,pues, elementos de los cuerpos a aquello en que sedividen los demás cuerpos, en los cuales está aquello en potencia o en acto... Demanera que si el elemento no es algo compuesto (mezclado), no todo lo queposeepartes iguales es elemento, sino que lo es aquello que no puede dividirse en cosasespecíficamente diversas".Cada uno de los cuatro elementos con los que se com-ponen los materiales terrestres (tierra, agua, aire y fuego) representan, en abstrac-to, dos propiedades cualitativas derivadas de lasdicotomías caliente-frío y húme-do-seco con un mismo sustrato material para todos (la materia prima aristotélica).Es decir, los elementos no tienen existencia real, tienen un carácter metafisico.Por ejemplo, el agua real no es el elemento agua. El agua real sería una mezcla delos elementos agua (que entra mayoritariamente en su composición y, por ello,predominan las propiedades de humedad y frialdad), aire (que puede observarsecomo se desprende inicialmente cuando ponemos a calentar agua) y tierra (quequeda cuando toda el agua líquida se ha convertido en vapor de agua). En estecontexto se comprende que pueda haber transmutación de unos elementos enotros, pues basta con cambiar las cualidades contrarias. Y se entiende que la rare-facción (vaporización) como transformación del elemento agua (fría y húmeda) enaire (caliente y húmedo) se realice fácilmente calentando (esto es, con fuego).También se infiere que en este modelo de materia no exista el concepto actual desustancia (pura) antagónico al de mezcla, ya que se solaparía .con la idea de ele-

442

mento. El concepto operacional (macroscópico) de sustancia fue introducido porlos iatroquímicos o paracelsianos de finales del siglo XVII (Chalmers, 1998). Noolvidemos que es en esta época cuando la Química entra en la Universidad, de lamano de la Medicina, preocupada por conocer remedios naturales (infusiones,jarabes, fórmulas magistrales, etc.) con los que curar las enfermedades. Se generaasí una preocupación por el estudio de las sustancias y sus propiedades. El con-cepto de sustancia se definió (y lo seguimos definiendo) como cuerpo que tieneun conjunto de propiedades físicas y químicas características (Solsona eIzquierdo, 1998) y se idea precisamente contra la noción metafísica de elementoquímico, que sustancializaba solamente dos propiedades. La introducción de laidea de sustancia frente a la de mezcla supuso un salto cualitativo importante alque no se le ha prestado suficiente importancia. No obstante algunos historiadoresreflejan que es en esta época cuando Boyle enfatiza la clasificación de los 'cuer-pos' en: mezclas, 'cuerposperfectamente mezclados' (hoy sustancias compuestas)y 'cuerpos perfectamente sin mezcla' (sustancias simples) (Holton y Roller, 1963).Por el contrario, la filosofía aristotélica enfatizaba la clasificación de los sistemasmateriales en 'mezclas perfectas' (los 'mixtos'), que hoy traducimos como mezclashomogéneas y las 'mezclas imperfectas' que corresponden a las mezclas heterogé-neas. Se ha de tener en cuenta que la concepción de compuesto químico comosustancia pura definida en su composición se propuso por Geoffroy en 1718 y estaidea no era compartida por toda la comunidad química contemporánea (Klein,1994). y no pocas polémicas se produjeron durante este mismo siglo por no tenerlas mismas ideas sobre lo que era un compuesto. Por ejemplo, es conocido eldebate mantenido entre Proust y Berthollet al final del siglo XVIII. Así mientrasProust trabajó sobre el análisis de minerales llegando a la conclusión de, por ejem-plo, que las piritas del Japón tenían la misma composición que las de España,Berthollet lo había hecho en disoluciones acuosas (purificación de aguas) conclu-yendo que estas mezclas homogéneas (hasta que se producía la saturación) erancompuestos químicos: y, por tanto, no se podía afirmar que tenían composiciónconstante. iEn resumen, la superación de la idea de que todo lo existente en la naturaleza sonmezclas de elementos abstractos, no se logró hasta el siglo XVIII en el que ya seacepta que las mezclas pueden resolverse en sustancias puras y que éstas, a suvez, pueden ser compuestas o simples, formadas por unos pocos elementos quí- .micos desprovistos de su carácter metafísico.

c) Ahora bien, el nacimiento del primer cuerpo teórico que conocemos como teoríaatómico-molecular de la materia tuvo lugar a principios del siglo XIX aunque suconsolidación no fue sencilla. Como indica Colmant (1972) en su artículo"Querelle a l'Institut entre équivalentistes et atomístes" la teoría atómica clásica sefundamentó en los primeros 20 años del XIX y tuvo sus grandes problemas deaceptación hasta fin de siglo. En este artículo se presenta la batalla librada entreequivalentistas declarados como Sainte Claire Deville y Berthelot y atomistas comoWurtz y Fizeau que se desarrolló en la Academia de Ciencias francesa entre abril yjulio de 1877. Para tener una idea del contexto histórico se presenta sólo elcomienzo del artículo: "Partiendo de la tierra, el agua, el aire y el fuego pasando

443

por la sal, el azufre y el mercurio, se llegó a fines del XVIII a nuestros 'cuerpossimples'. Un trabajo de mate matización (de la Química) se había hecho en dosdirecciones que terminaron por converger. La dirección geométrica propuso ladivisión de la materia en partículas pequeñas, indivisibles, pero finitas, idénticaspara un mismo cuerpo simple, diferentes de uno a otro, agrupándose de maneradiversa en los diferentes compuestos. En cambio, la dirección aritmética encontrócomo invariantes (macroscópicos) importantes, los equivalentes. Richter habíaconcluido que para cada reactivo existía, así como para cada cuerpo simple, unpeso propio respecto al cual proporcionalmente reaccionaban aquellas sustan-cias ... Eran los pesos equivalentes o simplemente 'equivalentes' ... La conjunciónde los puntos de vista geométrico y aritmético fue realizada por J. Dalton en 1805,con su teoría atómica. Los últimos invariantes eran los átomos, aquellas partículassupuestas por la geometría, donde se distinguen unos de otros por su masa relati-va, esto es su 'peso atómico' ..." Esta lucha entre equivalentistas y atomistas sedesarrolló hasta los principios del siglo XX. Una buena muestra de ello es el ejem-plo de Ostwald, como se ha detallado en el apartado 1.6.

2.2. ¿Qué enseñar en Secundaria sobre los cambios químicos?

jEs bien conocido que existen muchas soluciones para la organización y selección de

los contenidos de una temática que pueden ser adecuadas atendiendo, en particular, alnivel educativo en el que se vayan a impartir. Supondremos que se va a enseñar la teoríaatómica clásica a estudiantes que se inician en la Química, es decir a alumnos de laE.s.O. En este apartado situaremos estas enseñanzas en el curriculumdel alumnado ytomaremos decisiones fundamentadas para organizar, seleccionar y secuenciar los conte-nidos anteriormente citados.

Supongamos que el estudio de los procesos químicos se contextualiza en el primerciclo de las Ciencias de la Naturaleza en la E.s.O. (13 y 14 años). La introducción de ladisciplina de Ciencias de la Naturaleza obedece a la necesidad de estudiar un Universocomplejo en el que la diversidad y el cambio coexisten con la regularidad y la permanen-cia de los objetos y fenómenos (Furió et al., 1995). Siguiendo este hilo conductor, el pri-mer problema a resolver consistirá en la búsqueda de regularidades que permitan expli-car de forma unitaria la gran diversidad existente en el mundo natural. Una primera deci-sión para organizar este estudio puede consistir en dividirlo en cuatro bloques de conte-nidos con el fin de poder profundizar en el estudio de: i) los objetos celestes, ii) los seresvivos; iii) el medio físico terrestre y iv) las sustancias y sus transformaciones.

En el último de estos bloques la finalidad de su estudio consistirá en aproximamos ala enorme diversidad de materiales y sustancias que nos rodean y tratar de buscar expli-caciones a las interacciones sustanciales que ocurren. Esto es, el objetivo principal esbuscar una estructura unitaria que permita explicar cómo están constituidos los materia-les del entorno y cómo cambian y, en particular, cómo explicar los cambios químicos.Sabemos que la respuesta es, de entrada, el estudio de la clásica estructura atómico-molecular de la materia, pero hay que detenerse para hacer un esfuerzo de selección ysecuenciación de estos contenidos básicos.

La historia y epistemología de la Química como fuente de problemas, anteriormentepresentados, nos pueden servir como referentes principales en la selección y secuen-

444

ciación de los contenidos a desarrollar (Martínez-Torregrosa et al., 1994). Por ejemplo,podemos decidir que una buena secuencia de los contenidos puede basarse en la con-vergencia de las dos principales contribuciones al establecimiento de la Química comociencia moderna que se han apuntado anteriormente en el apartado 2.1, a saber:

• la superación de las diferencias entre la materia condensada (sólidos y líquidos) ylos gases, viendo que tienen propiedades comunes. Es decir, se centraría inicial-mente la atención en el estudio de los gases ya que su comportamiento unitario nosva a permitir llegar fácilmente al establecimiento de un modelo microscópico senci-llo que se puede extrapolar a sólidos y líquidos;

• el estudio de los cambios químicos que sufren los materiales nos va a permitir, enprincipio, diferenciar material (mezcla) de. sustancia, introducir los conceptosmacroscópicos de compuesto y sustancia simple así como distinguir entre cambiofísico y cambio químico. La modelización microscópica de estos procesos implicarála emisión de las hipótesis atómica y molecular de la materia.

Una segunda decisión a considerar en el diseño y desarrollo de estos contenidos con-ceptuales es la necesidad de explicitar claramente las relaciones entre los niveles macros-cópico, microscópico y simbólico (Gabel, 1998) en las dos contribuciones expuestas. Asípor ejemplo, el estudio macroscópico de las diferencias entre mezcla y sustancia ha de iracompañado de las correspondientes representaciones microscópicas de aquellos siste-mas materiales. Análogamente se debe proceder en el caso del estudio de los procesosquímicos. En el cuadro 18.7 adjunto (Furió et al., 1994a; Azcona, 1997) se han representa-do los dos niveles de interpretación de los conceptos que los estudiantes deberían llegara construir significativamente para poder decir que comprenden los procesos químicos.

Finalmente y de manera coherente con lo indicado por la investigación didáctica, seha de integrar en los contenidos anteriores aspectos relativos a las interacciones Ciencia,Tecnología y Sociedad (CTS). El movimiento de reforma de la educación científica aescala mundial conocido como 'movimiento CTS' nació a mediados de la década de los80 (Garritz, 1994). Como indica Yager (1993), tiene como finalidad 'dedicar esfuerzospara formar ciudadanos informados que sean capaces de tomar decisiones crucialessobre problemas y asuntos actuales, y de emprender acciones personales deriuadas detales decisiones'. Según la investigación, estos enfoques CTS mejoran las actitudes de losestudiantes hacia la ciencia, las destrezas y habilidades procedimentales, la capacidadpara aplicar los conceptos a nuevas situaciones y la creatividad de los estudiantes (Solbesy Vilches, 1989; Gabel, 1998).

445

Cuadro 18.7. Niveles de interpretación macroscópico y microscópico o adquirir por los estudiantes poro lo com-prensión de los procesos químicos (Azcona, 1997)

Interpretación macras(ópica Interprefación atomisto

SUSTAN(IA: Material que tiene un (Gnjunto de pro-piedades (aractensficos invariables.

SUSTANCIA: Material formado por un conjunto de portírulas iguales;

SUSTANCIA SIMPLE: (onstituida por ótomos iguales. *SUSTAN(IA SIMPLE: lo que no se puede desrom-poner en otros mÓl sencillos.

~

o ~fII ~O ~O •• ~00 O •• ===

(*) Un mismo elemento químilo puede ti.- hIgar a una o varias sustandassimples.

SUSTAN(IA COMPUESTA: lo que se puede des-componer en otros mós sencillos por procedimientosquimicas.

COMPUESTO:Formado por partículas complejos todas iguales ((on átomos de los elementosque lo forman)~. ~..rJP.~

@b8 ~ ~eoeceo

CAMBIO FísICO: las particulas conslituyentes de las sustanrios no (ambian.CAMBIO FísICO: No se forman nuevos sustancias ysolo cembie el estado nsico de lo sustancio.

~ qp~I~~~I~q6>&bq¡pEvaporación del agua

REA«IÓN QUíMICA: REA«IÓN QUíMICA:

- los productos de reacción tienen particulos diferente\ de los de los reactivas. Hoy unoreestructuración de los partículas.

- Se forman nuevos sustancias- lo masa se conservo constante- los sustancios que participan en lo reacción estón

en uno proporción de masa tonstenle.

€l¡J@ +~ ee +~"@) @ c9 ~@)@) (J' ~0- 00@ ~Rearnvas Readivo en exresc Producto de lo reacción

((si + 07 (g) • (07 (g)

- la conservación de lo masa es (onsecuencia de lo ronservarión de los ótomos en elcompues1o

- las proporciones constantes son-(~nsecuenOa de lo (omposición de los sustancias.

446

3. ACTIVIDADES DE RECAPITULACIÓN

1. Algunos psicólogos educativos han resaltado la importancia de que el profesor o laprofesora conozca cómo piensan los estudiantes para enseñar en consecuencia.¿Cuáles crees que son las características generales de las concepciones espontáneasde los alumnos que pueden representar serios obstáculos en el aprendizaje del cono-cimiento químico?

2. Resultados de la investigación didáctica han mostrado que elevados porcentajes deestudiantes de Química de Bachillerato y COU tienen dificultades cuando tienen queaplicar el principio de conservación de la masa en aquellas reacciones químicasdonde intervienen gases. ¿Cómo se puede explicar este hecho?

3. ¿Cuál crees que es el principal prerrequisito conceptual sin el cual será difícil que losestudiantes puedan comprender de manera significativa el concepto de reacción quí-mica?

4. En general se acepta como condición necesaria, aunque no suficiente, que todo pro-fesor ha de conocer la materia que ha de enseñar. Dentro de este saber se destaca lanecesidad de conocer qué problemas ha tenido que resolver históricamente la comu-nidad científica para llegar a construir los conocimientos que hoy tenemos. ¿Para quéle sirve a un profesor conocer la historia de la Ciencia?

5. Elaborar un hilo conductor para el desarrollo de una unidad didáctica cuyo objetivobásico sea que los estudiantes de la E.S.O. aprendan significativamente los conceptosestructurantes de sustancia y de reacción química.

4. COMENfARIOS A LAS ACTIVIDADES

Por lo que respecta a la ,A.1 el lector puede ir al apartado 18.1.1 donde se presentanvarias características del pensamiento discente espontáneo que el profesor ha de tenerpresente a la hora de enseñar el conocimiento químico. Conocer este pensamiento esimportante ya que permite explicar porqué, muchas veces, no entienden lo que les expli-ca el profesor a pesar de que 'los alumnos están atentos.

En la A.2 se entra a concretar algunos de los obstáculos concretos que se van a pre-sentar a los alumnos cuando tengan que interpretar qué pasa macroscópicamente con lamasa en una reacción química. El contenido del apartado 1.2 permite responder a estapregunta.

En la A.3 conviene advertir previamente que existe cierta confusión entre la idea deprerrequisito conceptual y la de concepción alternativa y, por tanto, podemos dar res-puestas equivocadas. Se entiende por prerrequisitos conceptuales a aquellos conceptoscientíficos más sencillos sin cuya comprensión será difícil que se pueda entender otroconcepto relacionado de mayor nivel cognitivo. Por ejemplo, el concepto de equilibrioquímico tiene como prerrequisitos esenciales conocer bien lo que es una reacción quími-ca y la velocidad de reacción si se quiere introducir aquel concepto desde el punto devista emético. Para responder a esta actividad se sugiere la lectura del apartado 1.3 deltexto.

En la siguiente actividad (4) se plantean las relaciones entre historia y enseñanza dela Ciencia. Un buen conocimiento de la historia de la Ciencia implica, como indica el

447

enunciado de la pregunta, saber cuáles han sido los principales problemas que se hanplanteado y resuelto en la comunidad científica y que, finalmente, han originado losconocimientos científicos actuales. Conocer estos obstáculos puede ser útil al profesor, -en primer lugar, para comprender mejor las posibles dificultades que pueden surgir en elaprendizaje y, en segundo lugar, puede ayudar a realizar una mejor selección yorganiza-ción de los contenidos a enseñar que vaya de lo sencillo a lo más complejo. Finalmentepara concretar más aún este segundo aspecto se plantea la A.5 donde se habrá de perfilarel hilo conductor del tema de reacciones químicas y para ello se recomienda al lector elapartado 18.2 del capítulo donde encontrara una solución entre muchas otras posibles.

5. BmUOGRAFÍA COMPLEMENTARIA RECOMENDADA

FRASER, B.J. y TOBIN, HK.G. 1998. International Handbook of Science Education.Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.El capítulo 2.7 del primer volumen de este manual más reciente escrito por D.L.Gabel, tiene por título "The complexity of Chemistry and implications for tea- .11ching" y en él se presentan algunas de las investigaciones que se han realizado ..sobre estrategias eficaces en la enseñanza de la Química. Entre éstas se destacan,desde el punto de vista constructivista, los estudios sobre interacciones socialesentre estudiantes y entre profesor y estudiantes así como los llevados a cabo sobreel uso de los modelos mentales, los mapas de concepto y las analogías. Tambiénse dedican sendos apartados a ver la influencia que están ejerciendo en estasestrategias el uso de las nuevas tecnologías, las prácticas de laboratorio así comolos curricula de Química centrados en enfoques Ciencia, Tecnología y Sociedad.

GABEL, D.L. 1994. Handbook 01Research on Science Teaching and Learning. N.Y.:Macmillan.En el capítulo 5Q de este manual denominado 'Research on alternatives concep-tions in Science', Wandersee, Mintzes y Novak presentan una muy extensa recen-sión de las investigaciones en los últimos años sobre las concepciones alternativasde los estudiantes así como los principales modelos de aprendizaje que actual-mente se proponen en la didáctica de las Ciencias (cambio conceptual y aprendi-zaje significativo). Dentro de las aproximadamente 400 investigaciones reseñadashay una buena fracción que corresponden a las concepciones alternativas en eldominio de la Química.

POZO,].1. Y GÓMEZ CRESPO, M.A.1998. Aprender y enseñar Ciencia. Del conocimientocotidiano al conocimiento cientifico. Madrid: Editorial Morara.Esta interesante publicación contiene, primero, unos capítulos generales sobre elproceso de enseñanza aprendizaje de las Ciencia y otros más particulares dedica-dos al aprendizaje de las distintas disciplinas científicas. En concreto, el capítulo VItiene por título "El aprendizaje de la Química" y allí el lector encontrará aspectosactuales de la Química que, preceptivamente, se han de enseñar en el curriculumde la Educación Secundaria así como dificultades específicas en el aprendizaje dela Química que pueden complementar lo visto en este capítulo.

448