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    La construcción y uso de los modelos en las Ciencias Naturales y su Didáctica

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    La principal actividad científica consiste en la modelización de los fenómenos estudiados por biólogos, físicos y químicos. La modelización, también ha llegado a las aulas de tal manera que se reconoce que los estudiantes presentan rasgos de pensamiento ajenos a los conceptos elaborados por las ciencias. Abordar la construcción de modelos en la ciencia como elemento fundamental de las representaciones científicas dará elementos para proponer, aplicar y evaluar nuevas propuestas curriculares en la enseñanza y aprendizaje de las ciencias.

    Palabras clave: Enseñanza y aprendizaje de las ciencias, modelos científicos, modelización.

    La didáctica de las ciencias naturales en los últimos años ha buscado desarrollar sus propuestas alrededor de dos nuevos puntos de vista, (Rodríguez y López Mota, A. 2009). El primero hace referencia a que las ciencias naturales no son algo que esté ahí afuera en la naturaleza, sino que se juegan un papel epistemológico que posibilita acceder al conocimiento. La construcción y uso de los modelos, que tienen sus cimientos en la práctica de los científicos, se constituyen en una posibilidad que pueden ser de gran ayuda, tanto para el profesor como para el estudiante. El segundo, considera que las ciencias naturales están centradas en lo que podemos acceder por los sentidos (ver, oír, tocar) y lo que podemos hacer con el conocimiento y no a partir de opiniones personales o en la imaginación especulativa.

    Este artículo se centra en la noción de modelo y cómo proporciona un amplio campo de investigación, en particular en el análisis de las representaciones científicas, donde preguntas acerca de lo que sea un modelo, para qué se utiliza, cuáles son sus límites y sus alcances son imprescindibles tanto para la epistemología, la pragmática y la didáctica.

    El empleo, por parte de las diferentes ciencias, de diversos tipos de modelos para representar fenómenos de muy distinta naturaleza se constituye en una práctica implementada por la comunidad científica para dar cuenta de un sinnúmero de eventos, regularidades y construcciones que les permite comprender el mundo con la ayuda de estos.

    Los docentes han reconocido la importancia de la modelización en la ciencia contemporánea, de tal manera que los modelos pueden ser asumidos como mapas, mundos, experimentos, objetos, construcciones sociales, donde la mayoría de estas interpretaciones busca la captura de un aspecto importante de ellos sin estar, necesariamente, en mutua contradicción. Los modelos no pertenecen a una clase natural. La elección de aspectos como piedras angulares de un enfoque de los modelos científicos es, en cierta medida, subjetiva y solo se justifica en términos de su contribución a la aclaración de aspectos relevantes.

    Los modelos son de capital importancia en muchos contextos científicos. Modelos como el de bola de billar, de un gas, el atómico de Bohr, el de bolsa del nucleón de MIT, el de Gauss de la cadena de un polímero, el de Lorenz de la atmósfera, el de Lotka-Volterra de la interacción predador-presa, el de doble hélice de ADN, o los de equilibrio de mercados, son ejemplos en diferentes disciplinas. Los científicos invierten gran cantidad de tiempo en su construcción, en la realización de pruebas, en la comparación y revisión, de tal manera que gran parte de sus acciones están dedicadas a la introducción, aplicación e interpretación de estas valiosas herramientas. En resumen, los modelos son uno de los principales instrumentos de la ciencia moderna y se constituyen en factor fundamental en la enseñanza y aprendizaje de la ciencia.

    El modelado en las ciencias biológicas ha surgido en las últimas décadas y ha posibilitado la construcción de modelos tridimensionales del ADN en genética molecular, simulaciones por ordenador de la ecología de poblaciones, modelos estadísticos en paleontología, modelos de difusión de la genética de poblaciones, y modelos remanentes en taxonomía, entre otros.

    Para Odenbaugh (2005), los biólogos utilizan el término modelo de dos maneras distintas. La primera como una representación idealizada de sistemas empíricos. Por ejemplo, un biólogo evolutivo puede modelar la selección natural independiente de otras concepciones evolutivas como la deriva genética. Un segundo uso se refiere a organismos u objetos físicos que son útiles para el estudio debido a su simplicidad, por ejemplo, el modelo del organismo de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) o el ADN estructura física en doble hélice.

    La integración de la teoría de la evolución de las especies por selección natural de Darwin, la teoría genética de Mendel como base de la herencia biológica, la mutación genética aleatoria como fuente de variación y la genética de poblaciones matemática, abrieron el camino a la síntesis evolutiva moderna. Los trabajos de científicos como Morgan, Fisher y Haldane entre otros, posibilitaron el vínculo entre la unidad de la evolución –los genes– con el mecanismo de la evolución –la selección–, logrando unificar varias ramas de la biología como la genética, la citología, la sistemática, la botánica y la paleontología.

    En el modelado de sistemas biológicos se usan analogías de la física. Por ejemplo, en el modelo depredador-presa con frecuencia se acude al uso de analogías de la mecánica estadística que implican leyes de acción de masas –depredador y presa– interactuando de forma proporcional a la abundancia como las moléculas de un gas ideal. Del mismo modo, la difusión de un colorante debido al movimiento browniano es análoga a un conjunto de poblaciones donde un gen p, debido a la frecuencia de "difusión", alcanza un valor alejado del valor inicial debido a la deriva genética aleatoria como lo muestran los estudios de Roughgarden (1996). Los biólogos evolutivos, como Smith (1983), han tomado prestado de la microeconomía la teoría de juegos donde se hace una analogía entre el concepto de utilidad y el de aptitud física en los procesos evolutivos.

    En el campo del conocimiento biológico se hace uso de los modelos estadísticos cuando se quiere estudiar la resistencia de las bacterias a los medicamentos. En el caso de varios antibióticos, incluidas las quinolonas y algunas clases de rifamicina, las bacterias adquieren rápidamente resistencia a través de las mutaciones de los genes en los cromosomas. Hallazgos indican que la inhibición de la mutación puede servir como estrategia terapéutica para combatir la evolución de la resistencia a los antibióticos.

    La idea de definir un modelo como un espacio de los estados ha tomado resonancia en los biólogos teóricos. Muchos de los modelos clásicos de la biología teórica se interpretan de esta manera. Por ejemplo, los modelos de Lotka-Volterra de competencias interespecíficas son explicados como espacios de estados o como retratos de fase. De esta manera, el modelo de dos especies es descrito por ecuaciones diferenciales acopladas predador-presa.

    Como en las demás ciencias, la química hace un uso extensivo de los modelos, es decir, acude a simplificaciones o representaciones idealizadas de los sistemas que se encuentran en el mundo físico. Estos son parte esencial no solo de la descripción científica del mundo "allá afuera", sino de la cognición humana de las cosas, sobre todo a las que no se puede acceder directamente a través de los sentidos. Los modelos son objetos que pertenecen al mundo accesible a la experiencia directa del hombre, a menudo construidos ad hoc y posiblemente idealizados. Ellos sirven como referentes de analogías, que parecen ser indispensables en la mayoría de los aspectos de la teorización científica, especialmente para la comprensión de los niveles sub-microscópicos de la realidad.

    Los químicos se encuentran una gran cantidad de reflexiones de sus objetos de estudio favoritos: los modelos moleculares. Haciendo uso de las analogías con los objetos cotidianos y las idealizaciones2 el concepto básico de la estructura molecular se define en términos del modelo muelle-bola, que utiliza la ley de Hooke para los resortes y la tercera ley de Newton para las bolas, esto permite utilizarlos como medios para la comprensión de la realidad. Este fue desarrollado a partir de una idea de Kekulé que se remonta a 1858: "una molécula tiene una estructura en el sentido de que tiene una propiedad análoga a la estructura de su modelo de muelle-bola (BS)".

    Los modelos analógicos que resultan de la estructura molecular se reconcilian con la química cuántica, y asumen el comportamiento de las moléculas a partir de las propiedades geométricas y mecánicas. Es decir, un químico tiene una ampliación fiel –aproximadamente cien millones de veces– de una molécula. Esta analogía es el origen y la justificación de la introducción de la forma y estructura como características moleculares.

    A partir de la topología, la teoría de grafos y la química cuántica clásica, algunos químicos han asimilado el diseño molecular asistido por ordenador y la programación orientada a objetos en 3D de las estructuras moleculares, y han examinado las perspectivas futuras de investigación en química como complemento de los experimentos mediante simulaciones por ordenador y las nuevas formas de investigación en la química computacional que, a su vez, han permitido predecir fenómenos químicos no observados hasta ahora. Estos modelos son ampliamente utilizados en el diseño de nuevos fármacos y materiales.

    En las ciencias físicas, los modelos son parte indispensable de la explicación científica. No es una exageración que el uso sabio de los modelos es el rasgo esencial de la ciencia de Galileo. Los modelos idealizados son tratados como si tuvieran lugar en un mundo que construye los rasgos de la realidad que la ciencia quiere estudiar. Por ejemplo, el péndulo ideal se asume como un modelo que está constituido por un punto donde se concentra la masa del cuerpo, suspendido de un hilo sin masa, flexible, inextensible y con oscilaciones lo suficientemente pequeñas para que el seno del ángulo que forma con el eje vertical se aproxime al ángulo. Todo esto permite deducir la dependencia matemática del período respecto a la longitud del hilo y la aceleración de la gravedad. Así, este puede ser asumido como un modelo físico, pues utiliza herramientas de pensamiento analógico descriptivo, o como un modelo matemático, al usar herramientas del pensamiento analógico argumentativo.

    Los modelos geométricos propuestos por Copérnico con el fin de dar la explicación geométrica del movimiento de la Tierra y los planetas están recogidos en su libro De Revolutionibus (1530/1992) en el que queda sistematizado, en términos de racionalidad geométrica, el orden con que Dios había dispuesto el universo. Esta tradición trasciende a Kepler, quien en su libro Mysterium Cosmographicu (1596) busca demostrar la armonía que subyace en el orden del mundo. Su intención fue descubrir las relaciones geométricas que determinaban la sucesión de los seis planetas y sus trayectorias. Kepler encontró una solución: el número de planetas y sus distancias respecto al Sol se explican por la interposición, entre cada una de ellas, de uno de los cincos poliedros regulares del modelo. Este ajuste geométrico perfecto concuerda, casi exactamente, con las medidas dadas por Copérnico, lo cual ofrecía una verificación incontestable de su teoría heliocéntrica.

    Galileo hace la explicación de la caída de los cuerpos a partir de la significación física de una representación geométrica. Utiliza el razonamiento geométrico y lo interpreta de manera empíricamente significativa, es decir, física. Otro aporte decisivo para la emergencia de la física moderna fue la algebrización de la geometría por Descartes (1937). Donde el carácter de los problemas geométricos, se reduce a problemas de una misma naturaleza, es decir, buscar el valor de las raíces de alguna ecuación. Estas raíces representan líneas, segmentos que pueden trazarse. Así, la geometría analítica cartesiana posibilita que la métrica inducida por la composición algebraica tenga correlación con el cálculo operatorio de las magnitudes geométricas.

    Los escritos de Dinámica de Leibniz buscan dar un ataque a la mecánica cartesiana reduciendo las fuerzas a un cálculo geométrico: “es la fuerza –que es la causa del movimiento– la que existe verdaderamente de modo que, además de la masa, la figura y su cambio –que es el movimiento– hay otra cosa en la naturaleza corpórea, a saber: la fuerza”. Utilizando la idea euclidiana que el trayecto genera la línea, la línea la superficie y esta el volumen, se demuestra la tridimensionalidad del espacio. El tránsito de una superficie a otra se realiza como un proceso continuo, sin cambios. Mediante la ley de la continuidad también se vinculan espacio y tiempo y este será el modelo que se aplica en la derivación de las diferentes fuerzas. Espacio y tiempo son el marco que permite el movimiento, pero como la fuerza le subyace, es necesario construir un nuevo continuo estructural formal que permita enmarcar toda fuerza. Esto es posible, a partir del concepto de representación, pues no se busca la identidad entre representante y representado, sino que estén regidos por la misma ley. De este modo, siempre habrá una correspondencia entre ambos y podrán deducirse las propiedades del uno estudiando al otro. El criterio legitimador de la representación será, por tanto, el paralelismo de leyes estatuido por la armonía preestablecida.

    Los desarrollos del primer capítulo de la Mecánica de Euler (1736) enlazan sin discontinuidad con el formato geométrico propio del siglo XVII. El proceso seguido tras explicitar los axiomas, la enunciación y demostración de los teoremas consecuentes mediante proporcionalidades entre cantidades de velocidad, longitud y tiempo. El camino recorrido del paso pendiente dejado por Newton hasta la decisión de elegir unidades para expresar las leyes relacionales, ya no únicamente como relaciones de proporcionalidad sino como igualdad entre medidas, permite el surgimiento de la formalización mediante ecuaciones de las leyes de la mecánica newtoniana e inicia el valor de uso de las ecuaciones físicas y la realización de cálculos prácticos por mediación de ellas.

    El uso y construcción de modelos en las ciencias naturales ponen de manifiesto lo fundamentales que son para la ciencia y su didáctica, pues su noción científica invita a los docentes y filósofos a su reflexión epistemológica y metodológica, porque los modelos, en cualquier sentido científico, están en la interfaz entre el mundo conceptual y los objetos de la investigación empírica, que son como los representantes de los objetos de estudio ante el tribunal de la razón humana. En esta perspectiva, una reflexión sobre los modelos en la ciencia es obligatoria para cualquier estudio sobre la relación entre la realidad sensible y los procedimientos mediante el cual la ciencia deriva conocimientos de este. El estudio de los modelos y la modelización consiste en comprender cuál es el proceso de construcción y cambio de estas formas de representación así como en proponer, aplicar y evaluar nuevos enfoques curriculares en las que esta perspectiva de enseñanza y aprendizaje se aplique.

    La propuesta se refiere a trabajos de investigación centrados en didáctica de las ciencias, tomando como referencia tres aspectos que se consideran básicos para la formación científica de los jóvenes: indagación, modelización y trabajo en contexto.

    La indagación se relaciona con la inquietud por saber cómo suceden los fenómenos naturales. Para conformar una mente inquisidora que establece un “diálogo” con lo que observa y preocupada por explicar por qué suceden las cosas.

    Para las respuestas de carácter racional, se buscan explicaciones para argumentarlas y ver si se sostienen. Aquí se introduce la modelización de fenómenos naturales. Lo que se busca es conformar un modelo –asequible a la manera de pensar de los estudiantes y en constante tensión con el modelo científico– que permite dar cuenta de ellos para poder predecir qué habrá de suceder y posibilitar su modificación. Los fenómenos hacen parte de un contexto económico, ambiental y cultural, que matiza las respuestas sociales a problemas con sustento.

    Es así como se ha abordado la evolución de los modelos astronómicos en niños de quinto de primaria. Indagar cómo los niños construyen sus representaciones sobre el sistema sol-tierra- luna, teniendo en cuenta sus características perceptuales del mundo ha permitido conocer sus representaciones y argumentaciones de tal manera que se posibilite la movilidad de estas, orientarlas o fortalecerlas para la comprensión del modelo heliocéntrico, a partir del estudio de las fases de la luna. La estrategia diseñada favorece la construcción de nociones científicas que posteriormente se convertirán en un eslabón que favorecerá el aprendizaje de las ciencias durante el proceso académico.

    Enseñar ciencias en la escuela implica favorecer la construcción de modelos científicos adaptados a los procesos escolares por parte de los alumnos, con la intención de que esos modelos les proporcionen representaciones y explicaciones de los hechos del mundo (Izquierdo et al., 2009), que eventualmente se conviertan en formas cada vez más cercanas a las aceptadas por la ciencia (Driver, 1988).

    Bibliografía

    Copérnico, N. (1530/1992). De Revolutionibus. Johns Hopkins: University Press.

    Descartes, (1637/1981). Discurso del método, dióptrica, meteoros y geometría. Madrid: ediciones Alfaguara.

    Driver, R. (1988). “Un enfoque constructivista para el desarrollo del currículo en ciencias”. Didáctica de las Ciencias, 6 (2), PP. 109-120.

    Euler, L. (1736). Mecánica de Euler. Opera Omnia: Academia Suiza de Ciencias.

    Menjura, Ochoa, Malagón, Tuay. (2011). “Movilidad de las representaciones del modelo sol-tierra- luna: estrategia didáctica para estudiantes de quinto de primaria”. Revista Científica 13. Disponible en http://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/revcie/article/view/1312... & Morrison (eds). (1998). Models as Mediators. Cambridge: Cambridge University Press.

    Izquierdo, M. y Merino, C. (2009). “Los modelos en la enseñanza de la química. Enseñanza de las Ciencias”. Número Extra VIII Congreso Internacional sobre Investigación en Didáctica de las Ciencias, Septiembre, Barcelona.

    Los escritos de Dinámica de Leibniz. (2003). Revista de Filosofía, 20. Santiago: Universidad de Chile.

    Odenbaugh, J. (2005). “Idealized, Inaccurate but Successful: A Pragmatic Approach to Evaluating Models in Theoretical Ecology”. Biology and Philosophy 20, pp. 2-3.

    Palma, H. (2009). Metáforas y modelos científicos: el lenguaje en la enseñanza de las ciencias. Buenos Aires: Libros del Zorzal.

    Rodríguez, D. y López, A. (2009). “El objeto del aprendizaje y el de la evaluación para los profesores de ciencias naturales: teoría vs. Práctica”. En: CD Memorias del X Congreso Nacional de Investigación Educativa. México: Comie, Veracruz.

    Tuay, R. (2007). Aproximación al debate de las representaciones científicas. Lindaraja 11. Disponible en http://www.filosofiayliteratura.org/Lindaraja/nidia/nidia_tuay.htm

    Zamora, J. (2005b). Ciencia pública-Ciencia privada. Reflexiones sobre la producción del saber científico. Madrid: Fondo de Cultura Económica.

    Tomado de: Revista Internacional Magisterio No. 57. Didácticas

    Foto de Fernando. Espejo, ADN y yo. Tomada de Flickr

    Viernes, Noviembre 11, 2016 - 22:00
    $25.000

    La escuela en cuanto sistema social debe educar para que los individuos y las colectividades comprendan la naturaleza compleja del medio ambiente natural y el creado por el hombre, resultante de la integración de sus aspectos biológicos, físicos, sociales, económicos y culturales; construyan valo

    10 Feb
    Libro

    Enseñando a pensar en ciencias naturales

    Body: 

    La propuesta gira alrededor de la búsqueda de estrategias que permitan a los estudiantes comprender los fenómenos naturales estudiados en clase y desarrollar procesos de pensamiento científico y competencias básicas del área.

     

    Se trata de un modelo integrado de procesos de comprensión que contribuye a una comprensión profunda de los fenómenos naturales estudiados, su importancia en la naturaleza y en la vida del ser humano. Funciones vitales, flujo de materia y energía en redes tróficas, fotosíntesis y respiración celular, son algunos de los temas a partir de los cuales se pueden derivar numerosas líneas de comprensión que, a su vez, permiten a los estudiantes, en función de sus propios intereses y procesos de aprendizaje, avanzar por distintos caminos en el conocimiento que se proponen aprender.

     

    +Conozca el libro Actualización en didáctica de las ciencias naturales y las matemáticas

     

    Se parte de la explicación de las habilidades y procesos de pensamiento que deben desarrollar para comprender el fenómeno en estudio, se plantean actividades enfocadas a promover procesos de pensamiento (establecer comparaciones, relaciones causa-efecto, preguntas orientadoras), el reconocimiento de la estructura del fenómeno en estudio y el desarrollo de habilidades secuenciales como la observación, descripción, identificación de etapas, variables con sus funciones y productos obtenidos. Para ello, observan videos, plantas vivas en campo y documentos escritos sobre el tema, luego ordenan la información recurriendo a organizadores gráficos, como cuadros sinópticos o mapas conceptuales.

     

    Los resultados reflejan un mejoramiento progresivo en los desempeños académicos de los estudiantes en las pruebas Saber 11 en Ciencias Naturales e, igualmente, un impacto en los docentes del área, quienes han adoptado la estrategia para aplicarla en otros grados de secundaria. El proyecto cuenta con el grupo estudiantil de investigación Genios del Futuro.

     

     

    +Conozca los libros

     Dificultades de aprendizaje. Matemáticas, Lenguaje, Ciencias Naturales y Ciencias sociales

     
    El autor
    El profesor Roberto Carlos  Acosta Pineda fue finalista del Premio Compartir al Maestro auspiciado por la Fundación Compartir 

    IE San Vicente de Paúl, Sincelejo, Sucre

     

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    Viernes, Septiembre 8, 2017 - 06:51

    Malla de aprendizaje Ciencias Naturales y Educación Ambiental - Grado 4°

    Body: 

    Los estudiantes que ingresan a grado cuarto han avanzado (en grados anteriores) en la comprensión de la forma como se propaga la luz en diferentes materiales, la formación de las sombras, las deformaciones que pueden tener diferentes objetos al aplicar fuerzas, las características del sonido, la relación de la variación de la temperatura en los cambios de estado, la influencia de los factores abióticos en los bióticos y las relaciones que se dan entre los seres vivos en los ecosistemas. En cuanto a las habilidades científicas se trabajó en la observación, la comparación, la descripción, la formulación de preguntas, la búsqueda de posibles respuestas por medio de experimentación guiada, el uso de instrumentos y la elaboración de conclusiones en diferentes formatos para comunicarlas a audiencias variadas.

     

    Como meta conceptual para este grado se espera que los estudiantes comprendan la magnitud y la dirección en que se aplica una fuerza, los efectos y ventajas de utilizar máquinas simples y el movimiento relativo del Sol, la Luna y la Tierra; de igual forma, que logren diferenciar los tipos de mezclas y algunas técnicas de separación. En el entorno vivo, se espera que comprendan que los organismos cumplen distintas funciones en cada uno de los niveles tróficos y que existen distintos tipos de ecosistemas (terrestres y acuáticos) con características físicas que posibilitan que habiten en ellos diferentes seres vivos. El trabajo experimental parte de preguntas investigables con el fin de que los estudiantes adquieran destrezas para realizar actividades prácticas, registrar datos y realizar análisis cualitativos y cuantitativos.

     

    En este grado se continúa haciendo énfasis en la toma de medidas, el uso de instrumentos convencionales y no convencionales y en el registro de los datos en tablas, así como en su representación gráfica. Se continúa fortaleciendo la elaboración de conclusiones basadas en datos y hechos, comparando sus resultados con los obtenidos por sus compañeros, se inicia con la consulta de fuentes teóricas o conceptuales para apoyar sus conclusiones por lo que se pedirá un manejo adecuado de las fuentes consultadas (retomar las ideas principales de las fuentes para argumentar, referenciar correctamente, entre otras)

     

    Descargue el documento completo aquí:  naturales-grado-4_.pdf

     

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    Martes, Diciembre 5, 2017 - 16:48

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