Comprensión de futuros profesores de ciencia sobre aspectos epistémicos de la naturaleza de la ciencia en cuatro controversias de historia de la ciencia

Introducción

Existe cierto consenso mundial en considerar la naturaleza de la ciencia (NDC) como un conocimiento clave para la alfabetización científica de la ciudadanía (Acevedo-Díaz y García-Carmona 2016a; Hodson, 2014; Next Generation Science Standards [NGSS]¹, 2013; Organisation for Economic Co-operation and Development [OECD]², 2017; Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2018; entre otros). Una buena comprensión de la NDC tiene valor per se en la cultura científica deseable para la ciudadanía (Acevedo y García-Carmona, 2017); además de un papel esencial para enriquecer la educación científica (Acevedo, 2008).

Las razones de esa consideración son diversas, pero una es que las personas recurren esencialmente a sus conocimientos, más o menos informados, sobre la NDC (Shamos, 1995) cuando valoran asuntos públicos relacionados con la ciencia y la tecnología. Por tanto, una buena comprensión de la NDC ayudaría a que esas valoraciones estén mejor fundamentadas (Acevedo-Díaz y García-Carmona, 2017). En esta línea, el programa marco Horizonte 2020 para la Investigación e Innovación en la Unión Europea³ establece entre sus objetivos básicos promover “La participación ciudadana en la ciencia, de manera que los ciudadanos desarrollen intereses y capacidades hacia la ciencia, que les permitan participar activamente en actividades científicas” (s.f.). Esta iniciativa ha trascendido recientemente al ámbito de la educación científica formal con el desarrollo de proyectos como IRRESISTIBLE (Including Responsible Research and innovation in cutting Edge Science and Inquiry-based Science education to improve Teacher's Ability of Bridging Learning Environments), financiado por la Unión Europea dentro del programa Science in Society y en el que participan 10 países europeos (Laherto et al., 2018).

Hasta ahora la propuesta de enseñanza sobre NDC que ha dominado en la bibliografía internacional es la que viene dada por los siete principios de Lederman (2007). Estos constituyen una lista restringida a aspectos epistémicos de la naturaleza del conocimiento científico; esto es, aspectos racionales o cognitivos relativos a la naturaleza epistémica de los productos elaborados por la ciencia. Sin embargo, durante la presente década está teniendo lugar una discusión relevante sobre qué aspectos de NDC serían los más adecuados para el currículo de ciencia en la educación preuniversitaria (Acevedo y García Carmona, 2016a; Acevedo-Díaz, García-Carmona y Aragón-Méndez, 2017a; Allchin, 2011; Dagher y Erduran, 2016; Hodson y Wong, 2017; Martins, 2015; entre otros).

Marco teórico

La posición que adoptamos sobre qué enseñar de NDC se basa en una perspectiva holística más acorde con la complejidad de la construcción del conocimiento científico (Acevedo-Díaz, García-Carmona y Aragón-Méndez, 2017a), coherente con la práctica científica real (Acevedo y García Carmona, 2016a), y que tenga en consideración el continuo existente entre los contextos de descubrimiento y de justificación⁴ (Acevedo-Díaz, 2017). Esta perspectiva incluye aspectos epistémicos de la NDC, relativos al conocimiento científico producido y a los procesos de indagación científica (Driver, Leach, Millar y Scott, 1996)⁵, así como otros aspectos no-epistémicos internos y externos a la comunidad científica. En este artículo no se tratarán los aspectos no-epistémicos de la NDC, los cuales suelen ser los más comunes entre las diferentes ciencias (Acevedo-Díaz, 2018).

El enfoque que se ha seguido en la enseñanza de la NDC ha sido explícito, reflexivo y contextualizado. Explícito, en el sentido de que la NDC se incluye de forma planificada y evaluable como un contenido curricular específico (Acevedo-Díaz, 2009). Reflexivo, en tanto que se plantea a los estudiantes mediante cuestiones para su análisis crítico⁶ (Clough, 2011). Y contextualizado, en este caso mediante la HDC, utilizando narraciones de controversias científicas elaboradas por los propios autores de este artículo (Acevedo y García-Carmona, 2016b, 2016c y 2017; Acevedo-Díaz, García-Carmona y Aragón-Méndez, 2016a, 2016b y 2017b).

El propósito de este artículo es mostrar la comprensión global lograda por futuros profesores de ciencia de Educación Secundaria sobre diversos aspectos epistémicos de NDC, a partir del análisis crítico-reflexivo y los argumentos correspondientes, en el aula de cuatro casos de historia de la ciencia (HDC). Los casos históricos que fueron analizados y discutidos por los futuros docentes fueron los siguientes: “Semmelweis y la fiebre puerperal”; “La controversia entre Pasteur y Liebig sobre la fermentación”; “la controversia entre Pasteur y Pouchet sobre la generación espontánea” y “Rosalind Franklin y la elucidación de la estructura del ADN”.

Metodología

Breve descripción de la propuesta de enseñanza

Los aspectos epistémicos de la NDC abordados entre las cuatro controversias se refieren tanto a los productos de la ciencia (tabla 1) como a los procesos que tienen lugar en la construcción del conocimiento científico (tabla 2). A continuación, se señalan estos aspectos, indicándose asimismo las controversias en las que se tratan.

Tabla 1: Naturaleza epistémica de los productos de la ciencia.

Fuente: elaboración propia de los autores.

Tabla 2: Naturaleza epistémica de los procesos de la ciencia.

Fuente: elaboración propia de los autores.

En todos los casos, los estudiantes se organizaron en grupos pequeños de trabajo para el desarrollo de las actividades. Se emplearon unas cinco horas en cada implementación, que se estructuraron en tres fases: 1) lectura del relato de la controversia de HDC y respuestas a diversas cuestiones de NDC, a partir de la reflexión y discusión entre los miembros de cada grupo, que se redactaron en un informe inicial; 2) sesión con el grupo-clase, dirigida por los educadores correspondientes para que los grupos compartieran y debatieran sus respuestas iniciales; y 3) conclusiones finales de los grupos tras la fase anterior, que se concretaron en la revisión y reelaboración/ampliación de sus respuestas iniciales. Estas respuestas también se registraron por los grupos en un informe final que entregaron, junto con el informe inicial, para su evaluación.

Instrumentos de análisis de datos y evaluación

Respecto a la evaluación de aprendizajes sobre NDC, nos alineamos con Allchin (2011), quien propone un enfoque contextual mediante el análisis interpretativo de casos actuales e históricos de la ciencia. Por tanto, la metodología de evaluación de los aspectos de NDC abordados con la actividad tiene un carácter cualitativo, está contextualizada mediante controversias de HDC, es de índole interpretativa y se basa en el uso de rúbricas para el análisis de datos.

Para la evaluación de las respuestas a cada una de las cuestiones planteadas se estableció una escala de progresión que permitiera el análisis del nivel de aprendizaje alcanzado por los estudiantes. Se decidieron cinco niveles, de 0 a 4, correspondiendo el máximo aprendizaje conseguido al nivel 4. Los indicadores que definen el nivel máximo se establecieron tomando como punto de partida el texto de la narración de HDC, los puntos de vista actuales sobre la NDC y la información proporcionada por las respuestas de los grupos. Estos indicadores se modificaron y reestructuraron varias veces hasta que los autores de este trabajo llegaron a un consenso. Los diferentes niveles de progresión y los indicadores correspondientes se recogieron luego en una rúbrica de evaluación para cada controversia empleada. Como ejemplo, se muestra la parte de la rúbrica correspondiente a las cuestiones relativas a la controversia sobre el caso de Rosalind Franklin y la estructura del ADN (tabla 3).

Tabla 3: Rúbrica de evaluación de aspectos epistémicos de la NDC en el contexto del caso Rosalind Franklin y la doble hélice del ADN.

Fuente: elaboración propia de los autores.

La validez y fiabilidad de este sistema de evaluación fueron establecidas mediante procesos iterativos de análisis inter e intra-jueces, realizados por los autores, y el uso de indicadores de baja inferencia (en este caso, citaciones textuales de las respuestas de los grupos a las preguntas planteadas); ambos muy recurrentes y apropiados en investigaciones cualitativas como esta (Seale, 1999).

Para abordar el objetivo de este trabajo, se ha realizado un análisis del número total de referencias de los grupos a los indicadores epistémicos, establecidos en las rúbricas de evaluación, y de la cantidad de veces que tales indicadores fueron aludidos como argumentos en conjunto.

Resultados

El número total de indicadores epistémicos citados de las rúbricas (tabla 4) fue más elevado en los informes finales (86%) que en los iniciales (68%). Asimismo, la cantidad de veces que se citaron tales indicadores en total aumentó de forma notable, aproximadamente el doble, en los informes finales respecto de los iniciales. Puede comprobarse que este incremento no es muy diferente en cada una de las cuatro controversias de HDC implementadas. De igual manera, cabe señalar que, si bien esta comprensión ya se manifestó de manera suficiente en los informes iniciales de los grupos, mejoró en los informes finales. En consecuencia, estos resultados muestran que los futuros profesores de Ciencia en educación secundaria son capaces de apreciar, comprender y argumentar la influencia de los aspectos epistémicos de la NDC en las controversias tratadas.

Tabla 4: Aspectos epistémicos de NDC relativos a las cuatro controversias de HDC implementadas.

Fuente: elaboración propia de los autores.

En la tabla 5 se muestran algunos ejemplos de la variedad de argumentos usados en las respuestas de los informes finales de los grupos a tres cuestiones epistémicas de la controversia entre Pasteur y Pouchet sobre la generación espontánea. A saber: 1) el papel de las creencias teóricas en la interpretación de las observaciones; 2) el papel de los diseños experimentales en los resultados obtenidos; y 3) la presencia o ausencia de experimentos cruciales durante la controversia.

Tabla 5: Fragmentos de los argumentos usados en las respuestas de los informes finales de los grupos a tres cuestiones epistémicas de la controversia entre Pasteur y Pouchet sobre la generación espontánea.

Fuente: elaboración propia de los autores.

En la obtención de los resultados finales hay que resaltar la influencia que tuvo la sesión con el grupo-clase en la que se debatieron las ideas que los grupos plasmaron en los informes iniciales. Para ello, el papel de los educadores respectivos durante esta sesión resultó clave en cada implementación.

Durante la puesta en común del grupo-aula en cada implementación el educador intervino como moderador, formulando preguntas que ayudasen a la reflexión de los futuros profesores de ciencia y que, por tanto, sirvieran de andamios para facilitar la evolución de sus ideas sin imponerlas.⁷

De manera general, se puede decir que los educadores usaron tres estrategias durante la fase intermedia de la actividad: la generación de conflictos cognitivos, la formulación de nuevas preguntas para enriquecer los debates y la introducción de información adicional en forma de ejemplos de otros casos de HDC. La efectividad de estas estrategias puede ser valorada a partir de los resultados finales mostrados en la tabla 4.

Un ejemplo de ello fue la discusión del significado y papel del error en el contexto de la controversia entre Pasteur y Liebig. Lo siguiente es un extracto de lo que se discutió en clase al respecto, y cómo el educador trató de encauzar el debate hacia ideas mejor informadas por medio de preguntas auxiliares para generar conflictos cognitivos principalmente⁸:

EM12: […] La única forma que hay de profundizar experimentalmente es llegando a equivocarte. Si no te equivocas y aciertas a la primera, pues estupendo. Pero normalmente es ensayo y error […].

ED: ¿Estás intentando decir que cuando se hace un experimento, si el investigador acierta a la primera con su hipótesis, se debe dar por satisfecho?

EM12: Bueno, es que es muy difícil que se compruebe a la primera.

ED: Y el error, ¿cómo lo detecta el investigador? ¿Sabe cuándo ha tenido un error?

EM11: En algunas ocasiones lo sabe, y si no, seguramente se lo dirán otros.

ED: ¿Puedes poner un ejemplo?

EM11: Por ejemplo, cuando estás en el laboratorio haciendo una reacción química y quieres obtener un resultado final, pero luego no lo obtienes.

ED: Eso es porque tú tienes un marco teórico en la cabeza y sabes lo que debería obtenerse, ¿no? Pero, ¿y si no existe un marco teórico sólido? En el caso de la controversia no había un marco teórico previo consistente, de hecho, Liebig y Pasteur estaban siendo los precursores. Además, ninguno de los dos llegó a explicar bien el fenómeno de la fermentación.

EM4: Yo no entiendo a qué nos referimos con error en este contexto porque ellos [Pasteur y Liebig] no se estaban equivocando. Ellos estaban malinterpretando en función de lo que pensaban filosóficamente. En la época de estos señores había una discusión en todos los ámbitos de la ciencia entre el mecanicismo y el vitalismo. Así que ellos no se equivocaron, sino que dijeron: “sobre lo que yo sé, esto es lo que puedo concluir”.

ED: ¿Creéis que ellos pensaron que estaban equivocados en algún momento? Porque nosotros tenemos la ventaja de la perspectiva del tiempo para juzgar sus propuestas […]

EM15: Tendemos a pensar que el error es algo malo, y en la ciencia realmente un error es un avance, te hace reconducir tus investigaciones […]

EM5: La prueba de que las interpretaciones de Pasteur y Liebig no eran un error total es que sirvieron de punto de partida para las investigaciones posteriores sobre el fenómeno [de la fermentación].

EM4: Yo es que pienso que los dos tenían razón.

EM8: A ver, la parte explicativa de sus teorías no era correctas. Habían hecho experimentos interesantes, pero no fueron bien explicados […]

EM4: Pienso que cada uno dio una explicación parcial del fenómeno… Entonces, si juntas las dos… cuando se muele el fermento o la levadura encuentras que lo que hay dentro es una reacción química, que era lo que proponía Liebig. Pero al final necesita la participación de un ser vivo; con lo cual, es una superposición de explicaciones evidentemente mejorable. Porque eso es lo bueno de la ciencia, que como se construye por capas, al final llega uno [se refiere a Büchner] que te limpia de filosofía toda la explicación anterior y da una explicación científica más correcta que las de Pasteur y Liebig.

Conclusiones

Las conclusiones que se pueden extraer del análisis de los cuatro estudios realizados son las siguientes:

1. 1) La lectura inicial de la narración en grupos pequeños permitió que los futuros profesores de ciencia hicieran alusión, en los argumentos de sus informes, a más de dos tercios de los indicadores epistémicos de las rúbricas. El número de veces que se citaron estos indicadores fue, globalmente, alrededor de dos. Si bien variaron entre las diversas controversias, siendo mayor en el caso de la fermentación, en valor absoluto, que en las otras tres.

2. 2) En los argumentos de sus informes finales los futuros profesores de ciencia hicieron alusión a más de cuatro de cada cinco indicadores epistémicos de las rúbricas. El número de veces que se citaron estos indicadores fue, globalmente, alrededor de 3; aunque variaron entre las diversas controversias, siendo otra vez mayor en la de la fermentación, en valor absoluto, que en las otras tres. Estos resultados son indicativos de la incidencia positiva que tuvo la segunda fase en gran grupo. A pesar de que los resultados ya fueron bastante aceptables en la fase inicial, al concluir la actividad los futuros profesores de ciencia fueron capaces de aportar argumentos más variados, y en mayor cantidad, para razonar sus ideas sobre las cuestiones planteadas. Ello evidenció un progreso considerable en su capacidad de argumentación al respecto

En resumen, podemos destacar el valor didáctico de la metodología cualitativa empleada para enseñar sobre los aspectos epistémicos de NDC seleccionados. En el contexto de las distintas controversias de HCD empleadas, se promovió que los estudiantes analizaran críticamente su contenido y, en respuestas a preguntas abiertas y reflexivas, argumentaran sus puntos de vista sobre los aspectos de NDC discutidos en el contexto de las mismas. Todo ello en un clima de discusión y debate entre los estudiantes (tanto en pequeño grupo como en gran grupo), con la orientación apropiada y esencial del educador, para favorecer la progresión o enriquecimiento de tales argumentos, conforme a las ideas epistémicas sobre NDC mejor informadas.⁹

Por último, consideramos que son necesarios más estudios empíricos en el aula para seguir profundizando en los aspectos epistémicos tratados, o en otros que pudieran considerarse necesarios incluir.