EL APRENDIZAJE DE CONCEPTOS CIENTIFICOS

El aprendizaje de conceptos científicos
(Aprendizaje significativo y cambio conceptual)

Los contenidos verbales del currículum, de los datos a los conceptos
Podemos diferenciar en los currículos tres tipos principales de contenidos verbales: los datos, los conceptos y los principios. El aprendizaje de las ciencias requiere muchos datos y hechos concretos, algunos de los cuales deben enseñarse en las aulas, mientras que otros son de conocimiento público. Pero una cosa es tener un dato, conocer algo como un hecho y otra darle sentido o significado. Comprender un dato requiere utilizar conceptos, es decir, relacionar tales datos dentro de una red de significados que explique por qué se producen y qué consecuencias tienen. Conocer un dato nos permite, en el mejor de los casos, reproducirlo. Los hechos o los datos deben aprenderse literalmente, de un modo reproductivo; no es necesario comprenderlos y, de hecho, frecuentemente cuando se adquieren contenidos factuales o no hay nada que comprender o no se está dispuesto o capacitado para hacer el esfuerzo necesario para comprenderlo.
Pretender que los alumnos aprendan la ciencia como una un conjunto de datos oc omo un sistema de conceptos implica formas totalmente distintas de orientar la enseñanza de la ciencia y por consiguiente, actividades de enseñanza, aprendizaje y evaluación completamente distintas. Ambos tipos de conocimiento verbal pueden considerarse complementarios, pero su peso en el currículo no puede ser equivalente.

Tienen que aprender datos los alumnos
Toda decisión sobre selección y organización de contenidos debe tomarse en función de las metas a las que esté dirigido. Las leyes del olvido en general son poco condescendientes con el aprendizaje factual. Si los alumnos tienen dificultades para comprender los conceptos básicos de la ciencia, aún más dificultades tienen para recordar los datos que no comprenden.
No puede enseñarse ciencia sin datos. Ahora bien, estos datos, no deberían ser un fin en sí mismos, sino que deben ser un medio para acceder a otras formas de conocimiento verbal más próximas a la comprensión. Los datos no se justifican sino promueven conductas o conocimientos significativos

La comprensión de conceptos: aprendizaje significativo y conocimiento previo
El aprendizaje de hechos o datos supone un copia más o menos literal por parte del alumno de modo tal que pueda almacenarla en su memoria. Esto proceso de repetición ciega será insuficiente para que el alumno puede llegar a los conceptos. Una persona adquiere un concepto cuando es capaz de dotar de significado a un material o a una información que se le presenta, esto es cuando "comprende". Para ello ha de ser capaz de establecer relaciones con conocimientos anteriores. El aprendizaje de los hechos se realiza por repetición, el aprendizaje significativo requiere comprensión. Por otra parte, los datos pueden aprenderse de una sola vez, mientras que los conceptos se adquieren de forma gradual, pero mientras los primeros se olvidan rápidamente sin repaso, los segundos solo se olvidan lentamente.
Algunos criterios para diferenciar hechos y conceptos durante el proceso de evaluación
- Evitar preguntas que permitan respuestas reproductivas
- Evaluar en situaciones y tareas nuevas
- Evaluar al comienzo de las sesiones
- Valorar las ideas personales de los alumnos
- Valorar las interpretaciones y conceptualizaciones de los alumnos que se alejan o desvían de la idea aceptada
- Utilizar técnicas indirectas
Se requiere, en efecto, evaluar el aprendizaje conceptual con criterios abiertos o flexibles en vez de términos de respuestas correctas o incorrectas.
Además de requerir que el material de aprendizaje tenga una estructura conceptual explícita conviene que la terminología y el vocabulario empleado no sea excesivamente novedoso ni difícil para el aprendiz. El material no solo debe estar organizado en sí mismo sino que debe estar organizado para los alumnos cuyos conocimientos previos y motivación deben tenerse en cuenta.

Condiciones o requisitos para que se produzca un aprendizaje constructivo
a. Relativas al material: Organización (estructura lógica o conceptual explícita) y Vocabulario y terminología (adaptados al alumno)
b. Relativas al aprendiz: Los conocimientos previos y la predisposición favorable para la comprensión a través de la búsqueda del significado y el sentido de lo que se aprende.
Siempre que una persona intenta comprender algo, requiere la activación de ideas previas que le permitan comprender el tema, sin embargo, esto no garantiza que el aprendizaje sea adecuado. Efectivamente, la enseñanza de la ciencia apenas cambia los conocimientos previos a partir de los cuales se interpretan los conceptos científicos que se aspira a enseñar. A menudo, en lugar de realizar una reinterpretación de los conocimientos previos, se asimila la ciencia a los conocimientos cotidianos
Los conocimientos previos resisten a la modificación a través de la instrucción y la tendencia de asimilar los aprendizajes escolares a las intuiciones personales ha sido objeto de numerosas investigaciones dentro de la didáctica de ciencias y constituyen el enfoque predominante actualmente. El aprendizaje significativo ha dado paso al estudio del cambio conceptual, entendido como el cambio de los conocimientos previos que poseen los alumnos.

El origen de las concepciones alternativas
Las concepciones alternativas no son un problema más sino otra manifestación más del mismo problema con dimensiones actitudinales, procedimentales y conceptuales: la desconexión entre el conocimiento que los alumnos generan para dar sentido al mundo que los rodea, un mondo de objetos y personas y el conocimiento científico, plagado de extraños símbolos y conceptos y conceptos abstractos referidos a un mundo más imaginario que real, mientras que el conocimiento conceptual de los alumnos traen al aula y con él sus actitudes y procedimientos, refiere al mundo cotidiano, un mesocosmos trazado por las coordenadas espacio temporales del aquí y ahora, la ciencia que les enseña se mueve más en la realidad virtual de mircorocosmos y del macrocosmos. Sólo una relación entre estos diferentes niveles de analisis de la realidad basada precisamente en su diferenciación, puede ayudar a los alumnos a comprender el significado de los modelos científicos y, desde luego, interesarse por ellos.
De acuerdo con la psicología evolutiva, la necesidad de predecir y controlar, empieza desde la cuna. Algunas hipótesis muy sugestivas especulan que ya desde el nacimiento los bebés tienen ‘teorías’ respecto al funcionamiento de los objetos y las personas. Otras concepciones no sería ya innatas sino culturales... y finalmente, otras días, ganarán espacio a partir de la enseñanza sistemática, dentro de las aulas: el uso más o menos acertado de metáforas acaba con impregnar el pensamiento de los alumnos. De esta forma, diremos que las concepciones de los alumnos tienen tanto un origen sensorial, cultural y escolar.

El origen sensorial (las concepciones espontáneas)
1. Semejanza entre causa y efecto
2. Contigüidad espacial
3. Contigüidad temporal
4. Covaración cualitativa entre causa y efecto
5. Covaración cuantitativa entre causa y efecto
Estas reglas estarían muy vinculadas al funcionamiento del sistema cognitivo humano como procesador de información con recursos limitados y por lo tanto restringe el espacio de búsqueda ante una situación de incertidumbre. Por otra parte, para algunos alumnos no se trata de conocimientos verbales (en tanto no pueden explicar su conocimiento verbalmente) sino tan solo "teorías de actuación", es decir, nociones procedimentales.
Origen cultural (las representaciones sociales)
El alumno es bombardeado por diversos canales de comunicación que le proporcionan casi sin filtro, conocimientos aparentemente cinéticos que pueden ser, bastante incongruentes entre sí. La escuela debería ayudar a reconstruir el saber cultural, pero a veces, se transforma en una fuente de ideas confusas y concepciones alternativas.

Origen escolar (concepciones analógicas)
Únicamente se refiere a esta fuente para hacer referencia a posibles errores de los alumnos generados aparentemente por la enseñanza escolar.
Sucede que al no presentarse el conocimiento científico como un saber diferente de otras formas de saber, los alumnos tiende a asimilar los conocimientos escolares a otras fuentes de "conocimiento científico" sobre el mundo. Los modelos científicos se mezclan, se difuminan, en aquellos ámbitos del discurso cotidiano, con referentes comunes.
Las concepciones alternativas como teorías implícitas
Estas concepciones alternativas que los alumnos mantienen al enfrentarse a la mayor parte de los conceptos y fenómenos científicos no son algo arbitrario o casual, no son el resultado de un error, una irregularidad o fallo de su sistema cognitivo, sino por el contrario, el producto de un aprendizaje en la mayor parte de los casos informa o implícito que tiene por objeto establecer regularidades en el mundo, hacerlo más previsible y controlable.
Las concepciones alternativas no son algo accidental o coyuntural sino que tienen una naturaleza estructural sistemática, el resultado de una mente o sistema cognitivo que pretende dar un sentido al mundo definido no solo por las relaciones entre los objetos físicos que pueblan e l mundo, sino también por las relaciones sociales y culturales que se establecen en torno a esos objetos. La enseñanza de la ciencia pretende que los alumnos compartan estas otras producciones tan elaboradas que son los modelos y teorías de la ciencia, requiere superar o trascender esas representaciones de primera mano, un tanto superficiales, que nos ofrecen el sentido común y la cultura cotidiana. Para ello es necesario conocer algo más sobre cómo están organizadas esas concepciones alternativas y qué es lo que hay que cambiar en el llamado cambio conceptual.
Tanto en la historia de la ciencia como en su aprendizaje, el cambio no implica tanto sustituir unas ideas por otras, como modificar las relaciones entre esas ideas que son las que determinan su significado. La nueva teoría científica no abandona todas las ideas de las teorías precedentes sino que las reestructura cambiando su sentido en el marco de la teoría.
Las verdaderas concepciones alternativas son producto de una teoría de dominio, constituida por el conjunto de representaciones de diverso tipo activadas por sujetos antes contextos pertenecientes a un dominio dado. Estas teorías de dominio sería menos accesibles tanto para el investigador como para los propios procesos de explicitación del sujeto. Esto no significa que el alumno mantenga explícitamente teoría de domino alguna que le permita expresar dicha regularidad conceptual de acuerdo a lo que inferimos a partir de sus acciones y predicciones. En este sentido, las teorías de dominio requieren un mayor esfuerzo cognitivo y una mayor cantidad de práctica para su explicitación.
En esta línea, el modelo de Karmiloff Smith observa que las teorías de dominio si bien son implícitas en el sentido de no ser accesibles a la conciencia del sujeto, se hallan explícitamente representadas en la memoria. La explicitación sería un proceso continuo que implicaría diversos niveles de redescripción representacional basados en códigos de reciente abstracción o formalización. Un conocimiento puede ser explícito sin ser conciente sin ser verbalizable, pero las formas superiores de explicitación implican la capacidad de redescribir fenómenos o situaciones en términos de lenguajes y códigos con notable nivel de abstracción o descontextualización como los lenguajes de las ciencias. Si bien las teorías de dominio son menos accesibles a la conciencia y más difíciles de explicitar ya que requieren tomar conciencia de distintas representaciones activadas en contextos diferentes son representaciones más estables y persistentes que los modelos mentales.
Las teorías de dominio determinarían la concepciones que activaría cada sujeto en respuesta a las demandas específicas de cada situación con creta, cuyos rasgos esenciales estructurales, vendrían dados por la estructura de sus teorías en ese dominio.
Las teorías implícitas estarían construidas de hecho a partir de un conjunto de reglas o restricciones en el proceso de la información que determinarían no solo la selección de la información procesada sino también las relaciones establecidas entre los elementos de la información. Podríamos decir que estas teorías serían una especie de sistema operativo de funcionamiento cognitivo. Un rasgo importante de las teorías implícitas es que tendrían un carácter más general que las propias teorías de dominio ya que las representaciones activadas por los sujeto sen diversos dominios podrían compartir las mismas restricciones de procesamiento, el mismo sistema operativo. Las teorías implícitas serían aún más estables que las propias teorías de dominio. Distintas teorías de dominio pueden sustentarse en los mismos sujetos implícitos, el carácter continuo y estático de la materia, determinado por la interpretación de esas situaciones en forma de relaciones causales lineales y de una analogía entre el modelo y la realidad que representa. El alumno puede cambiar su teoría de dominio pero manteniendo los mismos supuestos implícitos.

Principios epistemológicos
Afirma Vosniadou que entre las teorías científicas y las teorías de dominio mantenidas por los sujetos, existe una incompatibilidad básica debida a ciertos supuestos epistemológicos impuestos por la teoría marco, o teoría implícita, al sistema de creencias de los alumnos, que no serían compatibles con los supuestos subyacentes a la teoría científica. Las teorías de dominio generadas en cada uno de estos ámbitos adoptarían de forma implícita y por tanto acrítica, la forma de esos principios, se formatearía de acuerdo con ellos. Algunos de estos principios diferirían de los aceptados por las teorías científicas que, no tratan tanto de la realidad como de los modelos elaborados para dar sentido a la realidad. Estos diferentes principios epistemológicos dan lugar de hecho a diferentes teorías de dominio. En nuestro conocimiento cotidiano suponemos que la fuerza es una propiedad absoluta de los objetos y no el producta de la relación entre esos objetos y otros objetos. De esta forma, están estableciendo restricciones a sus teorías de la fuerza que van a hacer imposible la asimilación del modelo newtoniano como un sistema de interacción y equilibrio dentro de un modelo formal. De la misma forma, no concebimos el color como una relación entre la luz que ilumina el objeto y el ojo que lo percibe, sino que atribuimos el color como una propiedad absoluta, real de ese objeto... sin embargo, para una persona daltónica, ese libro no será rojo.

Principios ontológicos
Chi desarrolló otra teoría del cambio conceptual en la que éste se hace necesario cuando existe una incompatibilidad ontológica entre la teoría científica y la teoría mantenida por el alumno. Según este modelo, las personas clasificamos todos los objetos del mundo en un número limitado de categorías ontológicas a las que atribuimos determinadas propiedades. En efecto, es esta la utilidad fundamental de las categorías y conceptos: hacer más previsible el mundo asimilando los fenómenos nuevos a entidades ya conocidas. Según Chi, en la parte más alta de nuestra jerarquía ontológica, habría tres categorías fundamentales (materia, procesos y estados mentales), subdivididas a su vez en otras categorías menores. Desde estas categorías, interpretamos el mundo y cambiar nuestra concepción del mundo implica una modificación en las atribuciones ontológicas.

Principios conceptuales
Una diferencia fundamental entre las teorías cotidianas y las científicas se halla en la forma en que se estructuran los conceptos.
Causalidad lineal frente a interacción de sistemas
Mientas que en las teorías implícitas la relación causa efecto es en un solo sentido, en las teorías científicas se trata de una causalidad compleja en donde se hace evidente la interacción de sistemas.
Cambio y transformación frente a conservación y equilibrio
La tendencia del pensamiento cotidiano es la de centrarse en el cambio más que en los estados de manera tal que los alumnos suelen centrarse en lo que se transforma ignorando lo que se conserva... pero la mayor parte de los conceptos científicos implican una conservación. Comprender la naturaleza como un sistema de equilibrio entre diversos parámetros es uno de los logros más sustantivos del conocimiento científico.
Relaciones cualitativas frente a esquemas de cuantificación
En la vida cotidiana, tendemos a establecer relaciones cualitativas entre los hechos que escasamente somos capaces de cuantificar, sin embargo la ciencia se caracteriza por el uso de operaciones cuantitativas precisas, que determinan no solo si existe una relación entre los hechos sino también en qué cantidad existe.
Las teorías científicas implican proporción en tanto que suponen relaciones entre conceptos, probabilidad en tanto que numerosas concepciones científicas llevan implícita la noción de ‘azar’ y la correlación supone el análisis de datos estadísticos que permiten leer el comportamiento de las variables bajo análisis.

¿Qué es lo que cambia en el cambio conceptual?

Construir los principios epistemológicos, ontológicos y conceptuales del conocimiento científico no implica necesariamente abandonar el ‘sentido común’ sino más bien trascender su significado sin que obligadamente dicha superación sea trasladad a otros dominios (aunque sin duda podría favorecer esa superación en áreas próximas).

Cambio epistemológico
En nuestro conocimiento cotidiano, solemos asumir una posición realista de manera tal que el mundo es tal cual como éste se muestra a nosotros. Esta tendencia realista resulta (al menos en nuestra cultura) bastante dominante y difícil de superar incluso en el ámbito científico, en el que mucho tiempo ha predominado una concepción positivista según la cual la función de la ciencia era ‘descubrir’ la estructura y el funcionamiento de la naturaleza en vez de construir modelos para interpretarla. Esta tendencia realista parece estar muy arraigada al sistema cognitivo humano, de hecho, las primeras concepciones sobre el conocimiento y su adquisición surgen alrededor de los 3 y 4 años y parecen tener ya, un fuerte componente realista. Pero esta concepción suele evolucionar a medida que el niño se desarrolla, la instrucción también contribuye a la formación de un ‘realismo interpretativo’, de acuerdo a lo cual la meta del aprendizaje sigue siendo la de copiar la estructura del mundo de modo tal que nuestro conocimiento es una suerte de copia de la realiad (en otras palabras, cuanto más exacta es la copia, más verdadero es el conocimiento, aunque esta no se logra definitivamente por obstáculos diversos –cognitivos, sociales, perceptivos-). Así parecen concebir la adquisición del conocimiento científico ciertos profesores, por parte de sus alumnos: obstaculizada por sus concepciones ‘alternativas’, falta de atención, bajo desarrollo cognitivo, etc.

Desde una posición constructivista, se asume que todos los modelos y teorías son una construcción o invención social en respuestas a ciertas demandas o necesidades teórico prácticas y que la ciencia no es un discurso sobre lo real sino sobre modelos posibles. Conocer no es descubrir la realidad sino elaborar modelos para interpretarla.

Cambio ontológico
El cambio epistemológico requiere la utilización de nuevas entidades ontológicas de una complejidad creciente. Buena parte de las explicaciones o re descripciones de los niños son tautológicas, se limitan a afirmar o describir el estado del mundo sin remitirlo a otras entidades conceptuales.
A partir de cierta edad, los niños tienden a superar las interpretaciones animistas, es decir, la confusión entre estados mentales y materiales, por lo que en el aprendizaje de la ciencia tenderán a utilizar sobre todo interpretaciones basadas en estados materiales, nuevamente vinculadas a la mencionada sustancialización de los conceptos científicos.
Los fenómenos, entonces, se concebirán primero como estados y luego como procesos, lo cual supone una cambio ontológico importante en tanto habilita la posibilidad de realizar relaciones entre conceptos.
Cuando se atribuye a un fenómeno la categoría de proceso, puede ir aumentando la complejidad a medida que se incorporan nuevos factores causales a la explicación del hecho, lo cual suele ser el paso previo a la comprensión de los fenómenos dentro de un sistema.
El cambio conceptual implica, en definitiva, la organización integrada de los diferentes procesos dentro de un sistema.

El cambio en las estructuras conceptuales
La interpretación de los fenómenos dentro de un sistema, requiere también un cambio en las estructuras conceptuales.
Hay así pues una transición desde aceptar los fenómenos como hechos hasta comenzar a relacionarlos a través de procesos de causalidad lineal. Las interpretaciones causales lineales adoptan más tarde la forma de ciertos esquemas o reglas simplificadotas que irán alcanzando una complejidad mayor a medida que se suman nuevas causas conformando una causalidad múltiple aunque manteniendo aún el esquema conceptual básico de unidireccionalidad.
Usualmente, el conocimiento científico requiere no sólo establecer nuevas relaciones cualitativas entre conceptos sino también medir y cuantificar estas relación en función de reglas complejas frente a las cuales en el conocimiento cotidiano solemos utilizar simples relaciones cualitativas o bien reglas heurísticas alternativas. El uso de esquemas de proporción, probabilidad y correlación propio de las teorías científicas, supone un rigor y control en su aplicación que escasamente se encuentra en los contextos cotidianos caracterizados a menudo por la imprecisión e indefinición.

Si aceptamos que existen diferencias epistemológicas, ontológicas y conceptuales entre las teorías implícitas mantenidas por los alumnos y las teorías científicas que se les pretende enseñar y que aprender ciencia requiere superar tales diferencias, todo currículum de ciencias debería adoptar una posición explícita sobre su existencia y la forma de superarlas. Una de las metas esenciales de la educación científica debe ser precisamente favorecer las relaciones entre las formas de conocimiento cotidiano y científico.