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Las preconcepciones de los estudiantes como estrategias de aprendizaje

Magisterio
03/12/2015 - 15:45
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Foto de IESMGB. Tomada de Flickr

El entendimiento conceptual en ciencias y, específicamente, en física se ha convertido en una de las líneas de investigación más prolíferas en la investigación en educación de las ciencias ya que los alumnos tienen preconcepciones, explicaciones no científicas de los fenómenos que les rodean, que en ocasiones impiden, tanto el aprendizaje como la construcción de explicaciones científicamente aceptadas. Existen técnicas de investigación reconocidas que permiten identificar estas pre-concepciones, las cuales, además, pueden ser usadas en la creación de estrategias de aprendizaje activo basadas en investigación. 

 

Palabras clave: Preconcepciones, concepciones alternas, investigación en educación de la física, técnicas de investigación, aprendizaje activo, Tutoriales. 

 

Introducción

En los últimos 30 años, la Educación de la Física ha sido de interés en muchas universidades (McDermott y Redish, 1999), y un interesante número de profesores se han dedicado a la Investigación en Educación de la Física (IEF en español o Physics Education Research, o PER en inglés). Esta investigación ha demostrado que existe una gran diferencia entre lo que el profesor enseña y lo que el estudiante aprende y que el aprendizaje de la física, por parte de los alumnos de nivel preuniversitario y universitario, es muy bajo (McDermott, 1991). Estas observaciones han llamado la atención internacional, tanto de profesores como de administradores de la educación, de tal manera que, desde hace algunos años, se ha empezado a hacer investigación sobre la educación de la física en los departamentos universitarios.

 

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Este artículo tiene por objetivo presentar de una manera concisa una parte de lo que se hace en la IEF. En particular, se presenta el proceso que va desde el estudio de las preconcepciones hasta el desarrollo de estrategias de aprendizaje activo para disminuir la brecha entre el la enseñanza y el aprendizaje.

 

Dificultades de aprendizaje

Una de las líneas de investigación más importantes del área es la del entendimiento conceptual por parte de los estudiantes. Esta línea de investigación tiene por objetivo final proporcionar herramientas para que otras líneas de IEF puedan producir resultados efectivos, por ejemplo la del desarrollo de estrategias de aprendizaje activo la cual necesita conocer cuáles son las principales dificultades de aprendizaje de los estudiantes para enfocarse en ellas en la estrategia. 

 

El área de entendimiento conceptual estudia las preconcepciones de los estudiantes. Las preconcepciones son modelos que el estudiante desarrolla en su vida para explicar, no necesariamente en forma explícita, fenómenos de la naturaleza o fenómenos aprendidos. Las preconcepciones pueden estar basadas en las ideas informales que se forman en la vida cotidiana, ideas que se forman dentro del salón de clase pero que son malentendidas por los estudiantes o ideas que los mismos instructores o los libros de texto propagan por tenerlas ellos mismos (Yip, 1998). Estas preconcepciones pueden ser tan fuertes en el estudiante que son difíciles de modificar.

 

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En ciencias, y en particular en física, existe una gran dificultad por entender conceptos científicamente aceptados. Los siguientes dos ejemplos ilustran las dificultades de los estudiantes con conceptos de mecánica y circuitos.

 

Dificultad conceptual en mecánica

El FCI (Force Concept Inventory) es un examen diagnóstico que mide la coherencia conceptual de los alumnos en fuerza y cinemática (Hestenes, Wells y Swackhamer, 1992). Consiste en una serie de preguntas de opción múltiple en las que algunas de las opciones incorrectas corresponden a modelos conceptuales establecidos en los estudiantes. En los últimos años ha ganado una gran reputación entre los investigadores en educación de la física y entre los instructores de física. La versión original del FCI fue publicado por Hestenes et al. (1992) y la versión revisada se publicó en internet en 1995. 

 

La pregunta, aparentemente, es muy sencilla. Si el profesor expuso la segunda Ley de Newton e hizo problemas donde aplicó la ley, los estudiantes no deberían tener ningún problema en contestar que las fuerzas son iguales. El objeto va a una velocidad constante que significaría que la aceleración es cero y de acuerdo con la segunda Ley de Newton la fuerza neta tendría que ser cero. Si las únicas dos fuerzas sobre el elevador son la fuerza gravitacional hacia abajo y la fuerza ejercida por el cable hacia arriba, entonces el estudiante concluiría que las fuerzas tienen que tener la misma magnitud.

 

Aun y cuando la pregunta puede aparentar ser sencilla, los resultados nos muestran que no lo es. Después de la instrucción, el 55% de los estudiantes universitarios en su primer curso de física en una Universidad del norte de México contestaron que la fuerza ejercida por el cable es mayor que el peso del elevador. Sólo el 35% de ellos respondió que es igual, la respuesta correcta, y el 10% respondió que es menor. La mayoría de los estudiantes respondió que es mayor por lo que podemos decir que existe un gran problema de aprendizaje. Este problema de aprendizaje está relacionado con las preconcepciones de los estudiantes. En este ejemplo, existe una preconcepción que relaciona la velocidad y la fuerza. Según Halloun y Hestenes (1985) esta preconcepción proviene de la teoría aristotélica en la cual los objetos tenían una fuerza intrínseca y una fuerza de contacto, la primera tendiendo al objeto a su estado natural y la segunda que vence a la inercia para mover a los objetos. De esta manera, de acuerdo con la experiencia cotidiana, un objeto al que le ejercemos una fuerza (fuerza de contacto), se mueve y si la dejamos de ejercer (queda la fuerza intrínseca), se detiene por ser el estado natural. Esta experiencia se antepone con la concepción científica donde la aceleración (no la velocidad) se relaciona con la fuerza. Aunque los estudiantes hayan “entendido” la segunda Ley de Newton, sus preconcepciones no han cambiado.

 

Dificultad conceptual en circuitos

El ECCE (Electric Circuits Concept Evaluation) es un diagnóstico que evalúa conceptos de circuitos en general (Sokoloff, sf). Este contiene preguntas de circuitos resistivos de corriente directa, circuitos de resistencia-capacitor, circuitos simples de corriente alterna y circuitos con inductancias. Así como el FCI consiste en una serie de preguntas de opción múltiple en la que algunas de las opciones incorrectas corresponden a modelos conceptuales de circuitos establecidos en los estudiantes. 

 

Para un profesor que enseña circuitos a nivel preparatoria o nivel universitario introductorio es una pregunta en la que los estudiantes no deben tener ningún problema en responder. El profesor enseña la Ley de Ohm la cual indica que a mayor resistencia en un circuito menor corriente pasa por este, es decir, por la batería. En el problema, el primer circuito tiene dos focos en serie por lo que su resistencia es mayor comparada con la resistencia del circuito de un solo foco. Esto quiere decir que la corriente que sale de la batería en el circuito de dos focos debe ser menor que la corriente que sale de la batería en el circuito de un solo foco. La respuesta correcta, entonces, sería que la corriente que pasa por A en el circuito de dos focos es menor que la corriente que pasa por A en el circuito de un solo foco.

 

Esta pregunta aparentemente es muy sencilla, sin embargo, los resultados con estudiantes universitarios de una Universidad del norte de México nos indican que no es tan sencilla. El 48% de los estudiantes después de la instrucción respondió que la corriente es igual, el 12% respondió que la corriente es mayor y sólo el 40% respondió que es menor, la respuesta correcta. Existe un modelo que el estudiante tiene para explicar estos resultados. El estudiante piensa que al ser baterías idénticas, las corrientes que se obtienen deben ser las mismas (McDermott y Shaffer, 1992). Esta preconcepción proviene de la confusión entre corriente y voltaje (diferencia de potencial). Es decir, que las baterías sean idénticas indica que las diferencias de potencial entre las terminales de ellas son idénticas. En otras palabras, los voltajes de las baterías son los mismos mas no la corriente que podemos extraer de ellas. La corriente dependerá de lo que les conectemos. Nunca vamos a la tienda a comprar baterías de 0.5 Amperes, compramos baterías de 1.5 Volts.

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Preconcepciones en ciencias

Estos ejemplos ilustran las dificultades que los estudiantes enfrentan en el aprendizaje. Estas dificultades están íntimamente relacionadas con los modelos o preconcepciones que los estudiantes tienen con respecto al mundo que les rodea. En física existen muchas preconcepciones como las de circuitos: la corriente se gasta en las resistencias, la corriente que sale de la batería es constante, el voltaje pasa por las resistencias, o que la suma de voltajes de las resistencias es el voltaje de las baterías (McDermott y Shaffer, 1992).

 

La física no es la única ciencia en la que los estudiantes tienen concepciones alternativas. En Biología existen también una serie de preconcepciones que los estudiantes adquieren en el transcurso de su vida. Por ejemplo, en el tema de selección natural y evolución, los estudiantes piensan que la evolución se da solo cuando ocurre un cambio climático dramático, que los caracteres aparecen solo cuando se necesitan, que todos los individuos de una población desarrollan nuevos caracteres simultáneamente y que los caracteres en una especie aparecen cuando otros caracteres desaparecen (Nehm y Reilly, 2007).

 

En química existen preconcepciones que han sido estudiadas intensamente. Por ejemplo, en el tema de equilibrio químico, los estudiantes confunden la cantidad de moles con concentración molar, no logran entender la aparición o desaparición de material, interpretan en forma incorrecta el principio de Le Chatelier y creen que es posible alcanzar el equilibrio en contenedores abiertos con sistemas gaseosos (Bergquist y Heikkinen, 1990).

 

En matemáticas muchas preconcepciones son establecidas en el salón de clases. Algunas preconcepciones son en el tema de gráficas y cálculo donde los estudiantes piensan que la tangente es la línea que toca la gráfica en un solo punto o que la tangente es la línea que toca la gráfica en un solo punto pero no la cruza. En el segundo caso, aunque es una mejor definición aún es incompleta (Kajander, 2009).

 

Investigación de las preconcepciones

La pregunta, entonces, estriba en saber cómo vamos a investigar las preconcepciones de los estudiantes. La IEF utiliza varios métodos de investigación del entendimiento conceptual por parte de estudiantes. Algunos de ellos son los siguientes:

 

 Entrevista (Sierra, 1998). La entrevista es uno de los métodos más efectivos para indagar lo que el estudiante entiende y cuáles son los modelos en que se basa su entendimiento. Sin embargo, es un método con un intenso consumo de recurso humano y por consiguiente difícil de implementar con un gran número de estudiantes. Esto hace difícil que podamos cuantificar qué tan extendidos están los modelos.

 

 Preguntas abiertas (McDermott y Shaffer, 1992). Las preguntas abiertas pueden ser muy efectivas para indagar preconcepciones si están bien diseñadas. Este método no tiene un consumo tan intenso de recursos como la entrevista. Sin embargo, si se implementa a un gran número de estudiantes, entonces sí puede consumir muchos recursos. Además, existe siempre un número de estudiantes que participa pobremente al contestar las preguntas y hace difícil la cuantificación de los modelos. 

 

 Preguntas de opción múltiple (Lafourcade, 1987; Beichner, 1994). Las preguntas de opción múltiple tienen la gran ventaja de que se pueden implementar con un gran número de estudiantes y son fáciles de analizar sin consumir grandes recursos. Sin embargo, estas preguntas son difíciles de diseñar y si no están bien diseñadas no nos van a ofrecer ninguna información útil. 

 

Este tipo de investigación ha producido un sinnúmero de artículos de investigación quizá en su mayoría en el idioma inglés (McDermott y Redish, 1999). Está en los docentes revisar la literatura para internarse en esta área tan fascinante.

 

Estrategias e aprendizaje activo

Una de las importancias de conocer las concepciones alternas de los estudiantes es que en la instrucción podemos enfocarnos en tratar de que los estudiantes cambien sus concepciones alternas a concepciones científicamente aceptadas. En IEF ha habido grupos que se han dedicado a hacer investigación básica en concepciones y han utilizado estos resultados para crear estrategias de aprendizaje activo que modifiquen los modelos conceptuales de los estudiantes (Shaffer y McDermott, 1992). También hay grupos de investigación que se han dedicado al desarrollo de las estrategias tomando el conocimiento de las concepciones alternas de estudiantes que ofrece la literatura en el campo de IEF (Sokoloff y Thornton, 2004; Mazur, 1997). Lo importante es que en la actualidad existen estrategias de enseñanza/aprendizaje cuyo desarrollo se basó en investigación. Se mencionarán tres de ellas. 

 

La mayor parte de las estrategias basadas en investigación educativa en el área de la Física se han diseñado en los Estados Unidos (McDermott y Redish, 1999). Por lo mismo, se han diseñado pensando, en la mayoría de las ocasiones, en estructuras universitarias con sesiones de clase con un gran número de alumnos y sesiones complementarias con un menor número de alumnos. Por ejemplo, Demostraciones Interactivas (ILD por sus siglas en inglés) es una estrategia que se implementa en la sesión de clase grande (lectures) y se necesita sólo un conjunto de equipo para implementarse para un gran número de alumnos (Sokoloff y Thornton, 2004). ILD usa el conflicto cognitivo de situaciones presentadas por el profesor al frente del salón por medio de una demostración. Antes de hacer la demostración el profesor pide a los estudiantes predecir individualmente lo que va a suceder. Después, una vez hecho el experimento, en grupos los estudiantes discuten los resultados del experimento y si ello está de acuerdo o no con sus predicciones. Al final, se discute en plenaria el resultado. 

 

ILD ha demostrado ser una estrategia muy efectiva. Sin embargo, es muy difícil de implementar en Instituciones de grupos pequeños y cuyas clases se imparten en diferentes lugares del Campus académico. El costo sería muy grande pues se tendrían que comprar muchos conjuntos de equipo y, además, sería muy poco práctico estar trasladando los equipos a cada salón de clase. 

 

Otro ejemplo es Instrucción por pares (Mazur, 1997). Se usa en las sesiones de clase (lectures) donde el profesor plantea preguntas conceptuales de opción múltiple y los estudiantes contestan individualmente por medio de un dispositivo de respuesta remota (llamado comúnmente clickers). Con los resultados de las respuestas, el profesor les pide discutir con su compañero de al lado y que trate de convencerlo por medio de argumentación de que tiene razón. Una vez discutida la respuesta, el profesor vuelve a preguntar y el resultado normalmente es que en esta segunda ocasión, la mayor parte de estudiantes responde la respuesta correcta. Instrucción por pares se basa en la premisa de que los estudiantes que inicialmente responden correctamente tendrán mejores argumentos que aquellos que responden en forma incorrecta. Además, la clase se divide en periodos cortos de tal manera que los estudiantes puedan mantener su atención. 

 

Es posible implementar esta estrategia en una institución de grupos pequeños y cuyas clases se imparten en diferentes lugares del Campus académico. Sin embargo, es una estrategia costosa porque se tendría que tener un gran número de conjuntos de dispositivos de respuesta remota para que los instructores la puedan implementar. 

 

Por último, Tutoriales para la Física Introductoria (McDermott y Shaffer, 1996) son un conjunto de actividades que llevan al estudiante a transformar sus concepciones alternativas a concepciones científicas. Normalmente, las actividades son de papel y lápiz aunque en algunas actividades se necesita un poco de equipo muy simple de laboratorio. Hay un Tutorial casi para cada tema de los cursos de física universitarios. 

 

El ciclo de Tutorial consiste en un pre-test, la actividad de Tutorial y una tarea de Tutorial. La primera y la última son actividades individuales que se llevan a acabo fuera del salón de clases mientras que la actividad de Tutorial se hace en grupos de tres o cuatro estudiantes en el salón de clases. En cada hoja de trabajo del Tutorial, a los estudiantes se les presenta una serie de situaciones de aprendizaje que los guía a través del razonamiento científico. El Tutorial confronta a los estudiantes en ocasiones con diferentes alternativas para que exista un conflicto entre lo que piensan inicialmente y las nuevas ideas que están adquiriendo de tal manera que el conflicto sea resuelto por medio de las discusiones entre ellos mismos y con la ayuda de los instructores mediante diálogos socráticos. 

 

La estrategia puede resumirse en tres pasos básicos: preparar a los estudiantes para el material nuevo y evocar las ideas de estudiantes acerca de los conceptos involucrados, confrontar las nuevas ideas con evidencia que provee el Tutorial y, finalmente, resolver cualquier inconsistencia. El pre-test cubre básicamente el primer paso mientras que los Tutoriales y las tareas de Tutoriales cubren los otros dos objetivos.

 

Sumario

Se presentó en este artículo una parte de las actividades que se hacen en la Investigación en Educación de la Física que ayudan a disminuir la brecha existente entre lo que se enseña y lo que se aprende. Los estudiantes tienen ideas del mundo real que les permiten vivir en él pero no necesariamente estas ideas coinciden con aquellas que están aceptadas en el mundo científico. Existen técnicas para conocer estas preconcepciones y entender el origen de las mismas. Con ellas grupos de investigación han desarrollado estrategias de aprendizaje activo que promueven el cambio conceptual de los estudiantes. Estas estrategias hacen esa labor, la de transformar una preconcepción a una concepción científica.

 

Como docentes, como investigadores o como administradores de la educación es necesario entender cómo se han desarrollado estrategias de aprendizaje activo que hayan sido exitosas al implantarlas con estudiantes. Cada uno en su posición puede ayudar a que las estrategias sean difundidas en las aulas y que no se queden solo en las páginas de artículos o de libros. Además, es necesario que más científicos en el área de la física se dediquen a la investigación en educación de la física pues esto hará que nuestra área se desarrolle más dinámicamente de lo que lo ha hecho hasta este momento.

 

Agradecimientos

El autor agradece a los miembros del Grupo de Investigación e Innovación en Educación de la Física del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey por las aportaciones a su trabajo. Además agradece al Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey, por su apoyo por medio del proyecto CAT140.

 

Bibliografía

Beichner, R. J. (1994). Testing Student Interpretation of Kinematics Graphs. American Journal of Physics, 62 (8), pp. 750-762.

Bergquist, W. & Heikkinen, H. (1990). Student Ideas Regarding Chemical Equilibrium: What written test answers do not reveal. Journal of Chemical Education, 67(12), pp. 1000-1003.

Halloun, I. A., & Hestenes, D. (1985). Common Sense Concepts About Motion. American Journal of Physics, 67(11), pp. 1056-1065.

Hestenes, D., Wells, M & Swackhamer, G. (1992). Force Concept Inventory. Physics Teacher, 30, pp. 141-158.

Kajander, A. y Lovric, M. (2009). Mathematics textbooks and their potential role in supporting misconceptions. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology, 40(2), pp. 173-181.

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Mazur, E. (1997). Peer Instruction: A User's Manual. Upper Saddle River, NJ: Prentice 

McDermott, L. C. (1991). Millikan Lecture 1990: What we teach and what is learned – Closing the gap. American Journal of Physics, 59, p. 301.

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McDermott, L. C., Shaffer, P. S., y PER. (1998). Tutorials in Introductory Physics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.

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Sierra, F. (1998). “Función y sentido de la entrevista cualitativa en investigación social”. En: L. J. Galindo (Ed.). Técnicas de investigación en sociedad, cultura y comunicación. México: Prentice Hall.

Sokoloff, D. (sf). Electric Circuits Concept Evaluation. Recuperado de Dickindon College en mayo de 2012: http://physics.dickinson.edu/~wp_web/wp_resources/wp_assessment.html.

Sokoloff, D. R. y Thornton, R. K. (2004). Interactive Lecture Demonstrations, Active Learning in Introductory Physics. Hoboken, NJ: Wiley. 

Yip, D. (1998). Identification of misconceptions in novice biology teachers and remedial strategies for improving biology learning. International Journal of Science Education, 20(4), pp. 461-477.

 

Tomado de: Revista Internacional Magisterio No. 57. Didácticas

 

Foto de IESMGB. Tomada de Flickr