La indagación científica y la transmisión-recepción: una contrastación de modelos de enseñanza para el aprendizaje del concepto densidad

Introducción

Existen numerosas investigaciones que han buscado establecer si la indagación científica es realmente la mejor forma de enseñar y aprender ciencia. Haciendo un breve recorrido por los estudios que se han dedicado a analizar la temática, puede notarse que la opinión al respecto está dividida, es decir, algunas la respaldan mientras otras la desacreditan. A favor de la indagación científica encontramos, por ejemplo, la opinión de Lederman, Lederman y Antink (2013), quienes afirman que la mejor forma de aprender ciencia es a través de la indagación. Se cree que los estudiantes aprenden mejor los conceptos científicos al hacer ciencia. En este mismo sentido, Romero-Ariza (2017) ilustra los resultados de una serie de investigaciones que demuestran los beneficios de la indagación científica en la enseñanza de las ciencias. Según este, las investigaciones en las que se emplean metodologías que promueven la capacidad de pensar y argumentar con base en evidencias representan un factor positivo aunque moderado en la comprensión de ideas científicas, en especial cuando lo que se busca es la produndización del tema.

Por otro lado, existen voces en contra de la implementación de la indagación en la escuela. Así, Sweller y Clark (2006) afirman que las actividades abiertas de indagación, de aprendizaje basado en problemas, por descubrimiento y de naturaleza constructivistas están irremediablemente condenadas al fracaso, pues desconocen la arquitectura cognitiva humana. Estos autores hacen énfasis en el papel fundamental de la guía y la instrucción, ya que de esta manera se refuerza la memoria de largo plazo, un aspecto fundamental dentro de la arquitectura cognitiva humana. Por su parte, Couso Lagarón (2014) señala que muchos trabajos de indagación se planten sin un objetivo conceptual y, en su lugar, lo único que pretenden es aprender a indagar, “¡y encima de eso mal!”. Según la investigadora, esto sucede porque se muestra el método científico de una forma muy simplificada que termina distorsionando la naturaleza de la ciencia. Asimismo, Martin Hasen (2002) afirma que no son pocas las actividades que se promocionan como indagatorias sin que realmente tengan las características propias de la indagación. Visto de este modo, los resultados negativos en el aprendizaje conceptual son más bien atribuibles a un mal enfoque de la indagación en las actividades académicas propuestas.

Teniendo en cuenta las posturas en favor y en contra de la indagación como modelo de enseñanza y aprendizaje, y que son numerosas las actividades de indagación descalificadas debido a una mala interpretación del término, se hace pertinente poner a prueba una actividad diseñada por los investigadores en este estudio y compararla con una metodología más bien heteroestructurante que haga énfasis en la instrucción.

Metodología

El estudio se alinea con el paradigma cuantitativo de investigación y es de tipo transversal, pues las medidas se realizaron en los mismos tiempos y en una sola oportunidad. El diseño corresponde a un cuasi-experimento con pretest, postest y grupo de control, ya que al tratarse de grupos intactos fue necesario saber qué tan similares son los grupos con el fin de disminuir el sesgo al comparar la efectividad de las metodologías puestas a prueba, En otras palabras, si el estímulo de la variable independiente es responsable o no de los eventuales efectos (positivos o negativos) sobre la variable dependiente (Hernández y Fernández, 2010). Los análisis estadísticos se realizaron con el software SPSS versión 23 y las gráficas con Excel. Es preciso decir que los modelos de enseñanza fueron integrados a prácticas de laboratorios coherentes con sus metodologías. Se trata de una práctica tipo investigación que partió de un problema conceptual (véase anexo B) y con el cual los propios estudiantes formularon sus hipótesis y diseñaron sus experimentos he implementada en el grupo experimental; mientras que al grupo de control se aplicó una práctica de laboratorio tipo “receta” o de comprobación teórica en la que el diseño experimental estaba pre-establecido en la guía de trabajo.

Propuesta metodológica de la indagación científica

Para comprobar que la indagación científica es una estrategia que produce mejores resultados en el aprendizaje conceptual en comparación con el modelo de transmisión-recepción, a continuación, se detalla las etapas y pasos seguidos durante su implementación.

El grupo experimental se organizó en seis equipos: cinco grupos de cinco estudiantes y un grupo de cuatro, a los cuales se les valoró en cada una de las categorías de indagación puestas a prueba en el instrumento NdICpP.

Figura 1: Etapas y procesos para la implementación de la estrategia basada en la indagación científica.

Fuente: adaptada del modelo de investigación propuesto por la Assessment of Performance Unit, citado en Caamaño (2003).

Resultados y discusión

En primer lugar, se analiza el pretest con el que se determinó el grado de equivalencia entre el grupo de control y experimental.

Los resultados evidencian medias y desviaciones estándar muy similares entre los grupos de comparación, por lo cual fue necesario corroborar estadísticamente la similitud de los grupos de la siguiente forma:

Se realizó la prueba de normalidad de la variable cuantitativa de calificación (puntos correctos de 20 posibles), atendiendo a los supuestos mostrados a continuación. Se acude a la prueba de Shapiro-Wilk por tratarse de muestras menores a 30 puntos.

• Si P- valor > α (0,05) Aceptar H0 = se acepta que los datos provienen de una distribución normal

• Si P- valor < α (0,05) Aceptar H1 = se rechaza que los datos provienen de una distribución normal

De los resultados de la prueba puede notarse que la variable en cuestión en el grupo de experimental se comporta de forma normal, mientras que para el grupo de control no.

• P - valor (experimental) = 0,122 > α = 0,05

• P - valor (control) = 0,009 < α = 0,05

Dado que no se satisfacen varias de las condiciones de parametricidad, se aplica la prueba no paramétrica de U de Mann de Whitney que compara las medianas de las muestras, no sin antes establecer el siguiente sistema de hipótesis:

Tabla 1: Resumen estadístico de los resultados del pretest.

Fuente: elaboración propia.

Tabla 2: Prueba de normalidad de Shapiro-Wilk para el pretest

Fuente: elaboración propia.

• Si P- valor > α (0,05) Aceptar H0 = los grupos no presentaron diferencias significativas

• Si P- valor < α (0,05) Aceptar H1 = los grupos presentan diferencias significativas

Tabla 3: Prueba de U de Mann-Whitney para probar diferencia o similitud de los grupos experimental y de control.

Fuente: elaboración propia.

La significancia (sig. asintótica bilateral) arrojada por la prueba es mayor que alfa (α), así que se acepta la hipótesis nula. Con ello se concluye que los grupos no presentan diferencias significativas.

Este resultado fue positivo para la investigación, pues no fue necesario realizar ningún emparejamiento de los grupos y se posibilitó continuar con el diseño cuasi-experimental planteado. De esta forma, las diferencias presentadas en los aprendizajes de los grupos son atribuibles con mayor probabilidad a las características de las metodologías.

P - valor = 0,463 > α = 0,05

Ahora bien, con el análisis del postest se establece finalmente cuál metodología tuvo mayor influencia sobre el aprendizaje de la densidad. A continuación, se muestra el resumen estadístico de la segunda aplicación del test.

Al igual que en el pretest, se realizó una prueba de normalidad para decidir el estadístico apropiado para el análisis inferencial del postest. Por tanto, se aplicó la misma prueba para este fin.

En la tabla se aprecia que P - valor o la significancia (sig.) es mayor que el nivel alfa (α) para ambos grupos.

• P - valor (control) = 0,444 > α = 0,05

• P - valor (experimental) = 0,527 > α = 0,05

Con estos valores se acepta la hipótesis nula, es decir, se establece que la variable en tratamiento se comporta de forma normal en ambos casos. Una vez pasado este filtro, se determinó la igualdad de varianza con la prueba de Levene según el siguiente sistema de hipótesis.

Tabla 4: Resumen estadístico de los resultados del postest.

Fuente: elaboración propia.

Tabla 5: Prueba de normalidad de Shapiro-Wilk para el postest.

Fuente: elaboración propia.

• H0 = las varianzas son iguales si P- valor > αlfa (0,05)

• H1 = si existe diferencias significativas entre las varianzas si P- valor < αlfa (0,05)

Tabla 6: Prueba de Levene para probar igualdad de varianzas de los resultados del postest en grupos de control y experimental.

Fuente: elaboración propia.

Dadas las condiciones y el resultado de la prueba de Levene, se asumen varianzas iguales en la variable dependiente para los dos grupos, ya que el nivel de significancia (sig.) o P - valor es mayor que alfa (α).

P - valor = 0,755 > α = 0,05

Con estos resultados se pudo confirmar el comportamiento normal de la variable, y además se asume igualdad de varianza. Ahora, conforme a los resultados obtenidos, se aplicó la prueba T para muestras independientes para la comparación de medias con el propósito de determinar si la diferencia presentada en las medias de los grupos de control y experimental son significativas; para esto se estableció que:

Si P- valor > α (0,05) Aceptar = H0: la indagación científica integrada a los trabajos prácticos de laboratorio no representa una metodología que permite el aprendizaje conceptual en mayor grado que los métodos de enseñanza de transmisión-recepción apoyado en el uso de prácticas de laboratorio tipo “receta”.

Si P- valor < α (0,05) Aceptar H1 = la indagación científica integrada a los trabajos prácticos de laboratorio representa una metodología que permite el aprendizaje conceptual en mayor grado que los métodos de enseñanza de transmisión-recepción apoyado en el uso de prácticas de laboratorio tipo “receta”.

Si se concentra la atención en la significancia expuesta en la tabla 7 y se confronta con el sistema de hipótesis que compara las estrategias de enseñanza, se evidencia que esta es menor que alfa (α) 0,05. En este caso, los valores de significancia son iguales en ambas filas (columna 3 de la tabla 7), así que no hay que hacer una elección entre ellas.

Tabla 7: Prueba t para muestras independientes del postest.

Fuente: elaboración propia.

En definitiva, el valor de la significancia es menor que el de alfa (α), por lo que se rechaza la hipótesis nula o, en su defecto, se acepta la hipótesis de investigación H1.

P - valor = 0,017 < α = 0,05

Se concluye entonces, a partir de la prueba estadística t student para muestras independientes, que en la estrategia fundamentada en la indagación científica integrada a una práctica de laboratorio de esta naturaleza se logró mejores aprendizajes conceptuales que la estrategia basada en el modelo de transmisión-recepción integrada a una práctica de laboratorio tipo “receta”.

En relación con los tres niveles de aprendizaje conceptual (conocimiento, comprensión y aplicación), se observó que estos fueron superiores en el grupo experimental en cada caso. En especial, destacan la diferencia en el nivel de conocimiento (20,6 puntos porcentuales), seguido por el de aplicación (los cuales difieren en 12,7) y, finalmente, el de comprensión (con una diferencia de 9,8). Desde esta perspectiva, queda respaldada aún más la hipótesis de investigación.

De forma análoga, se muestran los niveles de indagación alcanzados por los seis equipos de trabajo en el laboratorio, correspondiente al grupo experimental en cada una de las cinco categorías tenidas en cuenta.

Figura 2: Comparación de los desempeños alcanzados en el aprendizaje en los niveles de conocimiento,

Fuente: elaboración propia.

comprensión y aplicación de los grupos experimental y de control en el postest.

La categoría en donde se logró un mayor desempeño por parte de los equipos de trabajo en el laboratorio es la formulación de hipótesis (categoría A), con un promedio de 3,5. Por el contrario, la categoría de indagación en la que mayor dificultad presentaron dichos equipos es: el análisis de datos y la obtención de conclusiones (categoría E), con un promedio de tan solo 0,3; seguida por el diseño de experimentos (categoría B), con un promedio de 1,4.

Figura 3: Niveles de indagación alcanzados por los seis equipos de laboratorio del grupo experimental.

Fuente: elaboración propia.

Según los reportes de investigaciones recientes, las competencias que representan mayor dificultad para los estudiantes son la formulación de hipótesis y el diseño del experimento (Ferrés Gurt, Marbá Tallada, y Neus, 2015; González Rodríguez y Crujeiras Pérez, 2016), pues lo regular es que ellos reciban las instrucciones listas en el procedimiento de una guía de laboratorio en lugar de elaborar el procedimiento. Esto se acentúa aún más ya que, como se mencionó antes, ni siquiera en prácticas tipo “receta” tienen experiencia. Sin embargo, la formulación de hipótesis en este estudio tuvo un comportamiento atípico si se compara con otros relacionados; tan es así que los equipos 5 y 6 lograron la puntuación máxima en esta categoría (5,0). Lo anterior se puede entender desde la forma deductiva como se abordó la construcción de la hipótesis, más explícitamente a la disposición de unos referentes teóricos relacionados con el concepto que llevaron a la explicación del problema, para el caso de la densidad: las fuerzas de cohesión y su relación con la masa y el volumen ocupado de las sustancias consideradas en el problema, además del acompañamiento del docente a través de cuestionamientos que ayudaron en la elaboración de la conjetura. En general, el bagaje del maestro fue imprescindible en la realización de prácticas de indagación. Las pistas, las indicaciones, las preguntas abiertas y la activación del conocimiento teórico son recursos de apoyo sin los cuales sería muy difícil completar la tarea de forma autónoma (Crujeiras Pérez y Jiménez Aleixandre, 2015).

Finalmente, se comparó el NdIcpP alcanzado por los seis equipos de laboratorio con el promedio de calificación obtenida en el postest, teniendo en cuenta que la indagación se valoró de forma grupal.

De la tabla 8, y más explícitamente de la figura 4, se puede notar que el equipo que mejor desempeño tuvo en el NdIcpP, el E5, también logró un mejor promedio en la calificación de sus integrantes (14,2). Con una tendencia similar, los equipos E1, E3, E4 y E6 obtuvieron desempeños de indagación parecidos, lo cual correspondió con los promedios de calificación que parecen converger en la figura. Sin embargo, E2 presentó un comportamiento atípico frente a lo esperado, a pesar de tener un desempeño muy bajo en la indagación (3,8), superó en promedio (10,4) al resto de grupos.

Tabla 8: NdIcpP obtenida por los equipos y sus correspondientes promedios obtenidos en el postest.

Fuente: elaboración propia.

Figura 4: Contraste entre los niveles de indagación alcanzado por los equipos de laboratorio y sus respectivos promedios en la calificación del aprendizaje del postest.

Fuente: elaboración propia.

Conclusiones

La indagación científica abordada desde una práctica de laboratorio tipo investigación que parte de una situación problema representa en muchos casos una alternativa que logra una apropiación conceptual mucho más profunda que los métodos de enseñanza más tradicionales como el de transmisión-recepción. En este estudio se equipararon las cargas de los modelos, pues ambas metodologías contaron con prácticas de laboratorio, el segundo modelo con la práctica tipo “receta”.

Aunque no es viable aplicar un solo modelo de enseñanza de las ciencias en la escuela, para este caso en particular, en el que se buscó el aprendizaje de la densidad como una propiedad intensiva de la materia, resultó ser más eficiente el modelo de investigación basado en competencias propias de la indagación científica. Si tenemos en cuenta que la densidad es un concepto que, aunque aparece en los libros de texto como un simple cociente entre la masa y el volumen, “los estudiantes relacionan la densidad con una de las variables (masa o volumen) y no con la relación entre ellas” (Raviolo, Moscato y Schnersch, 2005, p.90). La presencia de estas y otras dificultades presentadas en la comprensión de este concepto abstracto es precisamente la razón que hace aprovechable la indagación en búsqueda del aprendizaje, más aún cuando hay experimentación en la que existe contrastación de lo investigado y planteado en la hipótesis, a través de un experimento diseñado en equipo y ajustado en una socialización por la comunidad científica.

Al respecto de las categorías de indagación puestas en escena, y que fueron valoradas por un instrumento que se nombró como NdICpP, se corrobora una vez más que el diseño de experimentos no es el fuerte de los estudiantes. De igual modo, el análisis de datos y obtención de conclusiones resultó en este estudio la de menor desempeño por los equipos de trabajo, quizás por la dificultad de hacer un análisis holístico desde el planteamiento del problema y la formulación de la hipótesis hasta la solución del mismo después de obtener los datos del experimento.

Sin embargo, el desempeño de los equipos de trabajo en la formulación de hipótesis resultó ser satisfactorio para este caso, contrario a lo que reportan las últimas investigaciones. El éxito en la formulación de la hipótesis parece obedecer, por una parte, a la adecuación de materiales de consulta que guardaron estrecha relación con el fenómeno y, por otra, al andamiaje conceptual prestado por el profesor durante las sesiones de trabajo. A esto hay que añadir que las experiencias en actividades de indagación han tenido un mayor efecto en el aprendizaje cuando son dirigidas por los profesores, en contraste con las que son desarrolladas por los estudiantes con toda autonomía (Furtak, Seidel y Heidy, 2012).

Todo lo anterior lleva a pensar que la formulación de hipótesis representa un ejercicio clave en la comprensión del concepto, pues hasta el equipo E2, de más bajo puntaje en el NdICpP (3,5 de 25) pero con un desempeño regular en la formulación de hipótesis (3,0 de 5,0), logró buen promedio de calificación de sus integrantes (10,4), inclusive mejor que el resto de equipos, excepto el (E5) cuyo promedio de calificaciones fue el más alto (14,2) y que fue coherente con el puntaje del NdICpP (16,5).