Estudio experimental de la ecuación fundamental de la hidrostática por indagación en cuarto curso

de la Educación Secundaria Obligatoria

María Jesús Martín-Díaz y María Sagrario Gutiérrez Julián

Resumen

La indagación es un enfoque didáctico que pone el foco de atención en la utilización de los procedimientos propios de la investigación científica para la enseñanza y aprendizaje de las ciencias experimentales y que conlleva la adquisición de habilidades investigativas y el aprendizaje sobre la naturaleza de la ciencia. En el presente artículo presentamos cómo llevar a cabo una experiencia de laboratorio por indagación.

Palabras clave: indagación, naturaleza de la ciencia, trabajo de laboratorio.

Introducción

Las ciencias experimentales necesitan para su aprendizaje una aproximación tanto a su faceta teórica como a la experimental. Tradicionalmente este trabajo experimental se ha circunscrito a una actividad manipulativa bajo unas instrucciones precisas suministradas a los alumnos en forma de guión, que siguen con mayor o menor precisión; ignorando a veces los objetivos o la pregunta o problema al que han de responder los conocimientos científicos que subyacen a la manipulación y la discusión de los resultados que deben dar respuesta a los objetivos y ser analizados y argumentados a la luz de los modelos científicos (Schauble et al., 1995).

Una mayoría del profesorado estaría de acuerdo en que el trabajo experimental es necesario y conveniente en la enseñanza de las ciencias, pero, intentando profundizar en esta afirmación, podríamos preguntar necesario y conveniente ¿para qué? La respuesta inmediata sería para aprender ciencia. Pero yendo más allá de lo obvio, deberíamos preguntarnos ¿qué significa aprender ciencia en el trabajo experimental?, ¿aprender o comprobar conocimientos científicos ya elaborados y/o aprender qué es la ciencia y cómo se elabora? Tratando de adivinar de nuevo las respuestas, es posible que una mayoría contestase que ambas cosas. Es decir, la realización de trabajo experimental debe servir para que los alumnos aprendan cómo se hace y avanza la ciencia, las teorías y modelos científicos y su papel en la ciencia, así como su diferencia con los hechos y las leyes. Pero la realización de la actividad experimental bajo la óptica solo manipulativa y con un guión de instrucciones no conduce a estas metas (Hodson, 1994; Hofstein and Luneta, 1982, 2004). En este caso, el objetivo queda restringido a la manipulación y al aprendizaje de algunos conceptos o la comprobación de algunas leyes. Por ello es imprescindible el cambio de orientación en el uso del laboratorio como herramienta de aprendizaje, mediante la sensibilización y reflexión del profesorado frente a este tema. Porque aprender sobre la naturaleza de la ciencia es fundamental para los ciudadanos en su vida cotidiana (Gómez-Crespo et al., 2012)

En la historia y filosofía de la ciencia, podemos encontrar interesantes aportaciones sobre la concepción y el papel de la experimentación en el avance de la ciencia (Kuhn, 1978; Chalmers, 1990); así como en la didáctica de las ciencias (Hodson, 1985; Duschl, 1985). Algunos autores (Duschl, 1997) indican que la ciencia ha pasado de ser considerada como un proceso de experimentación pura a uno de generación de ideas. En esta misma línea, en la didáctica de las ciencias se habla de indagación como la forma más idónea de enfocar el trabajo experimental en los laboratorios de secundaria (Caamaño, 2012a), en la que la formulación de preguntas, la elaboración de hipótesis, el diseño experimental, la discusión e interpretación de resultados a la luz de modelos y teorías, la argumentación a la luz de las pruebas, la obtención de conclusiones, la formulación de nuevas preguntas y de predicciones son fundamentales y puerta de entrada a los conocimientos sobre naturaleza de la ciencia.

La indagación en el trabajo experimental, que consiste en la utilización de los procedimientos propios de la investigación en la enseñanza y aprendizaje de las ciencias y que conlleva, como acabamos de señalar, la adquisición de habilidades investigativas, no sólo manipulativas, y el aprendizaje sobre la naturaleza de la ciencia tiene sus raíces en los trabajos de Reid y Hodson (1993), que señalan que los alumnos tienen que aprender ciencia, aprender a hacer ciencia y aprender sobre la ciencia, las tres facetas que están presentes en la indagación. Posteriormente, otros autores hablaron de los trabajos prácticos de laboratorio como pequeñas investigaciones o investigaciones escolares (Gil y Valdés, 1996) y ya en el siglo XXI, un informe de la Comisión Europea (Rocard et al., 2007), señala la indagación como una estrategia adecuada para lograr que los alumnos muestren una mayor predilección por los estudios científicos y elijan en mayor número carreras científicas, para que no decaiga en Europa el potencial científico. Recientemente, Harlen (2014) señala que la indagación está basada en los conocimientos actuales sobre aprendizaje. Asimismo, en algunos países de América Latina se está llevando a cabo el proyecto Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación (ECBI) (Nudeleman, 2015).

Las formas de hacer que la indagación esté presente en las aulas pueden ser diversas, desde la realización de los trabajos de laboratorio como investigaciones escolares hasta la elaboración de secuencias didácticas o de modelos de aprendizaje (Harlen, 2014). En el trabajo de laboratorio, Caamaño (2102b) indica que se puede hacer indagación con dos concepciones diferentes: la atomística o analítica y la holística. La primera supone el aprendizaje aislado de los diferentes procedimientos de la ciencia antes de abordar la segunda que ya supone la realización de investigaciones. En este segundo caso, los alumnos después de realizada la indagación, tienen que interpretar los resultados que confirman o refutan sus hipótesis, a la luz de modelos o teorías, es decir, tienen que elaborar modelos escolares que les sirvan para explicar los fenómenos que les rodean. Modelos que han de tener capacidad interpretativa y predictiva.

Durante varios cursos realizamos en cuarto curso de la ESO (Educación Secundaria Obligatoria), con alumnos de 15-16 años, distintas experiencias de laboratorio bajo el prisma de la indagación. En este artículo presentamos un ejemplo de cómo transformar una experiencia experimental académica en una indagatoria. Se trata de la “Ecuación fundamental de la hidrostática”. Este es un tema que tiene una gran potencialidad para la indagación por varias razones: los alumnos tienen una experiencia real y sensorial de la presión en el interior de los fluidos; el valor de la variable dependiente está condicionado por varias independientes, con algunas de las cuales no es difícil trabajar experimentalmente; la dependencia de alguna variable independiente incita al debate entre los alumnos; etc. En esta misma línea se puede trabajar con otros temas como la caída por un plano inclinado o el principio de Arquímedes.

Descripción de la experiencia

Durante los cursos 2010-11, y 2011-12, comenzamos a cambiar el enfoque del trabajo experimental hacia la indagación para cuarto de la ESO, llevándola a cabo con temas académicos, como la caída por un plano inclinado, la ecuación fundamental de la hidrostática y el Principio de Arquímedes. La duración de cada experiencia es de tres sesiones, dos en el laboratorio con la mitad del grupo, unos 15 alumnos, y la última en el aula con todo el grupo. La primera sesión está dedicada a “pensar y hablar ciencia” (Martín Díaz, 2013): los alumnos tienen que plantear preguntas sobre el tema presentado; poner título a la experiencia; elaborar hipótesis; diseñar la experiencia, con el correspondiente control de variables; elaborar tablas para la recogida de datos. La segunda sesión está dedicada a la manipulación, a la obtención de resultados y la tercera se centra en la interpretación de los resultados, la argumentación y discusión de las conclusiones a la luz de las leyes, modelos o teorías aceptados por la comunidad científica. El objetivo final es la elaboración de sus modelos que les permitan explicar los fenómenos estudiados.

La experiencia indagatoria que presentamos a continuación estudia la ecuación fundamental de la hidrostática, que ya comentamos más brevemente y con otro enfoque en Martín-Díaz (2013).

Antes de estudiar teóricamente el tema en el aula, los alumnos realizan la experiencia en el laboratorio. En la primera sesión comenzamos preguntándoles qué entienden por presión en general y en el interior de los fluidos, en particular; si la han experimentado en alguna ocasión y que nos especifiquen en qué situaciones,… Nuestra intención es contextualizar el objeto de estudio en sus propias vivencias personales. Una vez que hemos conseguido interesarles por la experiencia que van a llevar a cabo y que afloren sus ideas al respecto, seguimos profundizando en sus “modelos”, invitándoles a que enumeren variables de las que depende la presión en el interior de los fluidos. Por lo general, los alumnos señalan tres variables: la profundidad, la densidad y la “cantidad” de agua existente en el recipiente. En caso de que exista alguna dificultad se les puede ayudar con algunas preguntas como, por ejemplo, qué diferencias existen, en el tema de estudio, entre el agua de una piscina y el agua del mar e, incluso, el agua de un mar tan salado como el Mar Muerto. Es muy interesante escuchar a los alumnos debatir sobre el caso de la tercera variable señalada, si a una misma profundidad en una piscina pequeña y en una piscina olímpica, existe una presión igual o mayor. Terminamos esta parte, indicándoles que pongan un título a la experiencia y que escriban sus hipótesis sobre cómo influyen las variables independientes señaladas en la presión. Durante todo el proceso los alumnos debaten y trabajan en pequeños grupos. Cada debate es seguido de una discusión en gran grupo, con un portavoz que va rotando entre los miembros de cada pequeño grupo.

Una vez que todos los alumnos han anotado en sus cuadernos sus hipótesis, se les presentan los materiales con los que van a trabajar (Figura 1): un manómetro, varias probetas de distintos tamaños, agua, alcohol, agua saturada con sal y papel milimetrado; y se les pide que diseñen con máximo detalle cómo van a probar sus hipótesis.

Figura 1. Materiales empleados en la experiencia.

Es muy importante que los alumnos tengan muy claro para qué se utiliza el papel milimetrado y dónde deben poner el cero, si lo que quieren medir es la profundidad a la cual se está determinando la presión. Es también necesario que sepan leer muy bien el manómetro.

A continuación se les pide que elaboren tablas en las que van a recoger los datos, señalando siempre la variable dependiente, la variable independiente y las variables que se están controlando como se puede observar en las figuras 2 y 3. Este paso encierra bastante dificultad para ellos porque les estamos pidiendo una formalización abstracta de su conocimiento intuitivo, pero es fundamental que lo comprendan en profundidad, para poder seguir avanzando en el proceso experimental que les estamos planteando y en la comprensión de la naturaleza de la ciencia. Es aconsejable empezar por la dependencia con la profundidad y comprobar su grado de comprensión al realizar el mismo proceso, recogido en las figuras 2 y 3, con el caso de la densidad y de la “cantidad” de agua.

Figura 2. Estudio de las variables que influyen en la presión

en el interior de un fluido, siendo la profundidad la variable independiente.

Figura 3. Tabla de recogida de datos, siendo la profundidad la variable independiente

La segunda sesión se centra en el proceso básicamente manipulativo. Realizan las medidas, toman los datos y hacen las correspondientes representaciones gráficas, como la observada en la figura 4, empezando por el caso más sencillo, el caso en que la variable independiente es la profundidad.

Figura 4. Gráfica que representa la dependencia de la presión

en el interior de un fluido con la profundidad.

A partir de la gráfica expresan verbalmente y por escrito cuál es la relación de dependencia entre la presión y la profundidad.

A continuación, realizan las experiencias necesarias para conocer si la densidad del líquido y la “cantidad” del mismo son variables que interviene en el valor de la presión y obtienen las gráficas correspondientes.

En la tercera sesión, los alumnos y alumnas, a la luz de los datos experimentales, analizan las hipótesis, argumentan a favor y en contra de ellas, y obtienen las conclusiones. Es interesante la discusión que aparece entre los alumnos cuando los datos experimentales falsean una o varias de sus hipótesis. Es en estas circunstancias donde se puede producir un choque conceptual que les haga poner en cuestión sus modelos científicos.

Después estudian teóricamente la ecuación fundamental de la hidrostática, comparan sus resultados con la expresión matemática de esta ecuación y expresan los valores de la presión obtenidos por ellos (en mm de H₂O) en las unidades del Sistema Internacional (N/m²)

Para finalizar hacen predicciones contestando a las siguientes preguntas:

· ¿Cuánto aumenta la presión a medida que un submarinista se sumerge en el mar?

· ¿A qué presión debe estar el aire de las botellas de un submarinista?

· ¿En qué animal debe bombear el corazón la sangre con mayor presión? ¿Por qué?

· ¿Por qué los tubos de suero salino para un enfermo deben colocarse a una determinada altura?

· ¿Por qué ahora en las extracciones de sangre se utilizan tubos en los que se ha hecho previamente el vacío?

Evaluación

No nos gustaría terminar sin decir que lo que no se evalúa no es considerado importante ni por el profesor ni por los alumnos, por lo tanto mostramos una pregunta que se puede utilizar en un examen para detectar la competencia de los alumnos en este tema.

Una alumna para comprobar que la presión en el interior de un líquido depende de la densidad ha tomado los siguientes valores:

• Indica si la experiencia está bien o mal realizada y por qué.

• Si está mal, indica qué es lo que hay que corregir.

• Calcula el valor de la presión existente a 10 cm de profundidad en un recipiente con agua (en el S.I.) Compara con el valor de la tabla. ¿Está bien el de la tabla?

• Explica cómo harías la experiencia en el laboratorio, indicando el nombre de todos los aparatos que necesitas.

Algunas respuestas de los alumnos a las dos primeras preguntas las podemos observar en la figura 5.

Figura 5. Respuestas de los/as alumnos/as

Conclusiones

Nuestra experiencia a lo largo de varios cursos que hemos ido poniendo en marcha experiencias de laboratorio por indagación para alumnos y alumnas de cuarto curso de la ESO y de primer curso de Bachillerato (variables de las que depende el período de un péndulo; estudio del tiro horizontal) nos indica que cuando el alumnado se enfrenta a un proceso de indagación tiene que poner en juego estrategias y habilidades, propias del quehacer científico, como son delimitar el objeto de la investigación, elaborar hipótesis, controlar variables en el diseño de la experiencia, analizar las hipótesis con los resultados obtenidos, ...; que no están presentes cuando realiza un trabajo de laboratorio siguiendo unas instrucciones concretas. Es un reto que hemos enfrentado y del que nos encontramos satisfechas porque como señalan Hosftein y Luneta (2004) es necesario "repensar" el trabajo experimental que realizan los alumnos, teniendo en cuenta los nuevos conocimientos adquiridos sobre el conocimiento y el aprendizaje de los humanos. Sin olvidar, que de esta manera se acercan al aprendizaje de la naturaleza de la ciencia y su elaboración.

Además hemos ido escuchando los comentarios de satisfacción de nuestros alumnos. Por esta razón, en el curso 2014-15 elaboramos un cuestionario que debían completar después de realizar, en primer lugar, una experiencia siguiendo un guión preestablecido y, en segundo lugar, otra experiencia por indagación. Los resultados los presentaremos en un nuevo artículo.

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