Niveles de representación más utilizados en la explicación de los conceptos fundamentales de la química en la educación superior

ÍNDICE

INTRODUCCION

CAPÍTULO I. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO
1. Triplete Químico
2. Elección del contenido disciplinar
3. Modelos en Ciencias
4. Red Sistémica

CAPÍTULO III. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN Y OBJETIVOS PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo general
1.2 Objetivos específicos

CAPÍTULO IV. METODOLOGÍA

CAPÍTULO V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIONES
a. Análisis de la Pregunta 1: Modelos Atómicos
b. Análisis de la Pregunta 2: Estados de Agregación
c. Análisis de la Pregunta 3: Reacción Química
d. Análisis de la Pregunta 4: Disolución Acuosa:
e. Análisis de los Niveles representacionales utilizados en todas las RESPUESTAS DE LOS PARTICIPANTES

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS
Instrumento de Estudio
a. Redes Sistemáticas
в. Tablas de Datos

RESUMEN

En esta investigación, se revisó de la propuesta de Johnstone para los niveles de abstracción que posee la química (Johnstone, 1993), a partir de las representaciones utilizadas por los profesores de Química y de estudiantes de primer año de universidad, que poseen en su plan de estudios la asignatura de química general, en una universidad regional. Esta evidencia ha sido recogida a partir de la selección de cuatro unidades temáticas, modelos atómicos, estados de agregación, reacción química y disoluciones acuosas, que forman parte del Plan de Estudios Común exigido por el Ministerio de Educación para la Educación Media (Ministerio de Educación de Chile, 2013), y la construcción de un instrumento que ha permitido identificar las ilustraciones o representaciones, que emplea la población partícipe, para explicar conceptos o fenómenos relacionados con la química. Los datos obtenidos fueron interpretados y categorizados mediante la construcción de redes sistemáticas, dilucidando que una sola respuesta puede albergar uno o más niveles representativos de Johnstone, de esta manera, se trabajó con la frecuencia acumulada, que permitió la elaboración de gráficos porcentuales, que evidencian los niveles de representación más utilizados. Llegando a la sugerencia de estrategias didácticas que permitan a los profesores enseñar estos contenidos, y a la conclusión de replantear el triplete químico de Johnstone, tras determinar que el nivel microscópico, es en sí, un lenguaje del nivel simbólico (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

AGRADECIMIENTOS

“Quiero partir agradeciendo y considerando que las palabras son pocas para el reconocer el esfuerzo y dedicación, a mi familia, a mi madre Ana María, a mi hermano Mateo, a mis abuelas Laura, Roció y Rosa así como mi bisabuela Libertad, a mis tías Catalina, María Danielle, María José, María Gabriela, Mara y Ximena, a mis primos Juan y Paula, y a mis dos padres Fernandos, que son un pilar importante para mí, brindándome siempre la fuerza para salir adelante ante las adversidades, entregándome siempre el apoyo y entusiasmo. Mi madre Ana María una mujer luchadora, siempre enseñándome a ver las dificultades como un aprendizaje de la vida, entregándome siempre el cariño característico de una gran persona, maestra, amiga y madre. Mis padres Fernandos hombres que me han enseñado a pelear por mis ideales. Mi hermano Mateo que con su inocencia y alegría, alumbra y motiva en mí a ser una mejor persona, maestro y amigo, y que refleja las enseñanzas impartidas por mi madre, para formar hombres de bien. A mi abuela Libertad, que pese a todo, crio y educó a muchos de la camada, incluyéndome, una mujer fuerte, luchadora, trabajadora, esforzada, que ante todas las complejidades a lo largo de su vida y actuales, ha demostrado siempre ser una gran maestra, una gran mujer. Los amo a todos.”

“Como olvidar a la persona que me motivo al estudio de la Química, mi amigo y profesor, Santiago, que me brindó apoyo e inspiro a estudiar esta ciencia. Quiero agradecer también a mi profesora en la universidad, Leontina, que ha creído en mí desde el primer momento, la entrevista de ingreso especial de segundo semestre y la asignatura de Química II, en donde ha forjado mi base profesional y personal, proporcionándome todas las herramientas a su disposición, que además me ha permitido trabajar junto a ella en la formación profesional de varias personas en los cursos que imparte, proyectos de investigación y también, dándome ese empujoncito que necesito en mis momentos de duda y porfiadez, gracias por su paciencia.”

“A los que ya no están junto a mí y que partieron antes de entregarles la alegría y orgullo de este trabajo, mis abuelos Fulton, Antonio y Ramón; mi abuelo Fulton el cual con sus enseñanzas me motivo, apoyo y guío hasta sus últimos momentos. Mi abuelo Antonio, un hombre trabajador desde su infancia y luchador hasta el final, con sus historias y su educación autodidacta, que para mí formaron al mejor ingeniero y a uno de los mejores hombres que he conocido. Mi abuelo, hermano, amigo, maestro, compañero, Ramón, uno de los pilares de mi vida, aquel con el que compartía mis frustraciones, sueños, aprendizajes y enseñanzas junto a una taza de té y una cajetilla, aquel que me indujo a la pedagogía como una forma de vida con sus tristezas, alegrías y experiencias. Sé que los tres están iluminándome y guiándome cada minuto con su luz y sabiduría, y que me han brindado la fuerza para culminar esta etapa de mi vida.”

“Agradezco también a mis amigos y amigas, Mime, Nanei, Soto, Lily, Katty, Roxana, Mario, Gaby, Jorge y José; sin sus experiencias, anécdotas, consejos, apoyo y amistad, esta etapa de mi vida y este trabajo no hubieran sido posible.”

“Por último, y no por eso menos importante, quiero agradecer a mi pareja Lissette, una mujer luchadora, fuerte y cariñosa, que me ha brindado el apoyo, me ha retado cuando lo merezco, y que me ha permitido aprender más de mí mismo junto a ella, una mujer que no se está quieta, trabajadora e inspiradora, gracias por tu apoyo, paciencia y cariño a lo largo de este tiempo y que me permitieron terminar esta etapa de mi vida.”

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1: Niveles representacionales en química, según Johnstone (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003)

Ilustración 2: Triángulo de Johnstone (Johnstone, 1993)

Ilustración 3: Tetraedro Químico de Mahaffy (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014).

Ilustración 4: Re-descripciones del Triángulo propuesto por Taber (Taber, 2013).

Ilustración 5: Nivel interpretacional Semi-particulado (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003)

Ilustración 6: Reconsideración del Triángulo de Johnstone (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003)

Ilustración 7: Tipos de modelos (Chamizo & García Franco, 2010)

Ilustración 8: Ejemplo de Red Sistématica de Domenech. (1991) (Sanmartí & Jorba, 1996)

INDICE DE REDES SISTEMATICAS

Red Sistématica 1: Pregunta N°1: Modelos atómicos, Estudiantes de Carreras Químicas

Red Sistématica 2: Pregunta N°1: Modelos atómicos, Estudiantes de Otras Carreras

Red Sistématica 3: Pregunta N°2: Estados de agregación, Estudiantes de Carreras Químicas

Red Sistématica 4: Pregunta N°2: Estados de agregación, Estudiantes de Otras Carreras

Red Sistématica 5: Pregunta N°3: Reacción Química, Estudiantes de Carreras Químicas

Red Sistematica 6: Pregunta N°3: Reacción Química, Estudiantes de Otras Carreras

Red Sistematica 7: Pregunta N°4: Disolución acuosa, Estudiantes de Carreras Químicas

Red Sistematica 8: Pregunta N°4: Disolución acuosa, Estudiantes de Otras Carreras

INDICE DE GRAFICOS

Gráfico 1: Estudiantes de Carreras Químicas

Gráfico 2: Estudiantes de Otras Carreras

Gráfico 3: Niveles representacionales utilizados por los Profesores

Gráfico 4: Estudiantes de Carreras Químicas

Gráfico 5: Estudiantes de Otras Carreras

Gráfico 6: Niveles representacionales utilizados por los Profesores

Gráfico 7: Estudiantes de Carreras Químicas

Gráfico 8: Estudiantes de Otras Carreras

Gráfico 9: Niveles representacionales utilizados por los Profesores

Gráfico 10: Estudiantes de Carreras Químicas

Gráfico 11: Estudiantes de Otras Carreras

Gráfico 12: Niveles representacionales utilizados por los Profesores

Gráfico 13: Niveles representacionales utilizados en Todas las Preguntas

Gráfico 14: Niveles representacionales utilizados por los Participantes

INTRODUCCIÓN

La Química es una ciencia que se basa en conceptos y planteamientos abstractos, esta, nos ayuda a interpretar y comprender fenómenos que ocurren en la naturaleza que son observables y/o medibles, además de permitirnos predecir acontecimientos desconocidos a partir del planteamiento de teorías y modelos; por esta razón, es muy importante conocer cómo se enseñan los contenidos relacionados con la estructura de la materia, los modelos y teorías que avalan el estudio en la educación superior, especialmente en carreras en las cuales la química es el centro, donde se deben tener presente cuales estrategias son las más apropiadas y si de alguna forma se tiene presente el triplete de Johnstone.

Para conocer mejor la forma en como aprenden los alumnos los conceptos, modelos y teorías se requiere analizar el problema desde la enseñanza media, de modo de comprender el por qué a los estudiantes le es difícil aprender ciertos contenidos, aun cuando ellos estudian una carrera relacionada directamente con la química. En la enseñanza media los profesores enseñan los contenidos disciplinares de la química, prefiriendo los niveles macroscópico y simbólicos propuestos por Johnstone (1993) en cambio en los textos de estudio de los distintos niveles, se aprecia un dominio de los tres niveles representacionales, provocando en cierta medida, una discordancia en lo que el profesor debe enseñar a sus estudiantes.

Cabe destacar que, la literatura indica que uno de los factores que generan concepciones alternativas en los estudiantes, aparece en las ideas o conocimientos previos que estos poseen y que en el momento de enseñar los contenidos, son ignorados por los profesores, generando así, una falta de interés o motivación por parte del estudiante hacia la asignatura. El estudio de este problema surge a partir de la Teoría del Aprendizaje Significativo de Ausubel, propuesta en 1963, la cual plantea que el aprendizaje significativo se produce a partir del conflicto cognitivo, que se genera en el estudiante, entre los conocimientos previos y los nuevos contenidos por aprender en la Memoria a Largo Plazo (Castillo, Ramírez, & González, 2013); que como resultado, los conocimientos serán asimilados y permitirán la familiarización de nuevos conceptos que permanecerán en el tiempo.

Por otra parte, en el estudio de Galagovsky en 2003, además, se puede evidenciar, que la falta de motivación y familiarización de los contenidos de la asignatura, generan que, los estudiantes, solo estudien a fin de rendir y cumplir evaluaciones y obtener una calificación, antes que, generar un conflicto cognitivo que permita que el aprendizaje sea significativo y que estos contenidos se pierdan en un lapso corto de tiempo (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003). Es aquí, donde los estudiantes, carecen de estrategias didácticas y/u omisión de sus conceptos previos, y en el momento de enseñar los profesores solo presentan los contenidos de la asignatura y la mayoría de ellos no comenta con sus alumnos acerca del conocimiento que ellos tienen. También cabe destacar que los académicos, en sus clases, explican los conceptos moviéndose desde un nivel representacional a otro, incluso ignorando que esto se lleva a cabo (Rocha, 2005), y que el estudiante no logra comprender y/o asimilar lo que el profesor expone, transformando la enseñanza de la química en una asignatura de aprendizaje tradicionalista o memorístico (Castillo, Ramírez, & González, 2013).

De esta manera y para llevar a cabo esta investigación, se planteó como objetivo general: conocer los niveles de representación que utilizan en la explicación de fenómenos o conceptos disciplinares de la química, los profesores y estudiantes de primer año de universidad; La metodología de trabajo se dirigió primero que todo, a la revisión de la literatura, tras la selección de contenidos disciplinares y la población a estudiar, surge la siguiente pregunta de investigación: ¿De qué manera los niveles de representación, propuestos por Johnstone, son utilizados por los profesores y estudiantes de primer año de universidad para dar explicación a preguntas de contenido disciplinar?, para dar respuesta a la problemática, se diseñó, aplicó un instrumento y posteriormente se analizaron las respuestas dadas por los alumnos, esto permitió identificar patrones en las representaciones empleadas por los participantes, para dar explicación a fenómenos o conceptos de la Química; Tras su aplicación, se procede al tratamiento de datos, de manera que se permita dilucidar los niveles que se emplean para resolver problemas asociados con la asignatura.

CAPÍTULO I. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN.

En la enseñanza de la Química, todo profesor de asignatura, debería aplicar continuamente los tres niveles de representación sugeridos por Johnstone, el macroscópico, microscópico y simbólico (Johnstone, 1993); con el fin de explicar y promover, el aprendizaje significativo en los estudiantes, a través de la interpretación un fenómeno que parte desde lo observable o medible (Castillo, Ramírez, & González, 2013), llevándolo a una organización molecular y/o atómica, para llegar al uso de fórmulas químicas y/o matemáticas, las cuales permiten comprender el medio que nos rodea por medio de la ciencia.

Señala Johnstone (1993), que los estudiantes en general, poseen dificultades para pasar de un nivel representacional a otro (macroscópico, microscópico o simbólico); A su vez, cuando un profesor explica los estados de agregación de la materia (macroscópico), emplea esferas para ilustrar la organización molecular (microscópico) o formulas químicas como por ejemplo la representación de la molécula de agua (Simbólico: H2O o H-O-H), y de este modo ilustrar desde estos niveles un hecho tangible (macroscópico). Por otro lado, en experiencias de laboratorio, los estudiantes tienden a atribuir propiedades físicas macroscópicas como el color, a sus representaciones microscópicas e incluso llegar a usar otras figuras geométricas como cuadrados y triángulos, para diferenciar átomos y/o moléculas, forzándolos al uso de símbolos (Galagovsky et al., 2003).

¿Pero en realidad el triángulo propuesto por Johnstone posee tres ejes? (Taber, 2013), las esferas que utiliza el docente para explicar el fenómeno, son en realidad un lenguaje de símbolos que representan el nivel microscópico, causando confusión en el estudiante al momento de pasar a otro nivel o a otra forma de representación (formulas químicas y/o matemáticas), o cuando el docente explique otro fenómeno con la misma representación de esferas (Galagovsky et al., 2003).

Esta investigación tiene como propósito dar respuestas a la siguiente pregunta: ¿De qué manera los niveles de representación, propuestos por Johnstone, son utilizados por académicos y estudiantes de primer año de universidad para dar explicación a preguntas de contenido disciplinar?

Los contenidos disciplinares seleccionados fueron Modelos Atómicos, Estados de Agregación de la materia, Reacción Química y Disoluciones Acuosas, los que se fundamentaron en las dificultades de aprendizaje que tienen los estudiantes (Childs & Sheehan, 2009), llevándolos a concepciones alternativas, que en la mayoría de los casos son erróneas, las que persisten en los distintos niveles de educación; por esta razón se requiere investigar cuales son los niveles de representación utilizados, por estudiantes y profesores, para explicar y aprender los conceptos fundamentales de la asignatura.

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO.

Para comprender los niveles de representación que componen la ciencia química; tanto el Triplete Químico como los Modelos que existen en la Ciencia, (Ilustración 1), nos llevan a identificar, a través de modelos que son utilizados por los participantes, los niveles de representación, lo que lleva al análisis de datos mediante de la Red Sistemática, que avalará, la manera de categorizar la información obtenida en la parte experimental de esta investigación.

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Ilustración 1 : Niveles representacionales en química, según Johnstone (Galagovsky, Rodríguez, Slamali, & Morales, 2003).

1. Triplete Químico.

Entre los años 1982 y 1991, Alex. H. Johnstone, y tras años de trabajo como profesor de Ciencias Naturales y principalmente Química, sugirió que la educación de las Ciencias parte de tres componentes básicos, dominios o niveles, que son utilizados particularmente en Química, y que los definió de la siguiente manera (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003):

- Macroscópico: que pertenece a todo lo observable, tangible o concreto.
- Microscópico: haciendo referencia a lo molecular, cinético y átomos.
- Simbólico: a lo que Johnstone definió como “representational chemistry”^[1] donde se engloba a los símbolos, estequiometria, ecuaciones y las matemáticas.

De estas tres definiciones, que se conocen como el Triángulo de Johnstone o Triplete Químico, todo aquel que estudie Química, o Ciencias, se verá beneficiado en su aprendizaje al realizar una profundización a través de los vértices del triángulo, partiendo por lo macroscópico o el fenómeno en sí, pasando la escala de ordenamiento molecular o atómico y posteriormente llevarlo a una ecuación química con calculo estequiométrico o matemático (Johnstone, 1993), llegando a la conclusión en 2000 que la dificultad de la química para los estudiantes se debe a la naturaleza del aprendizaje humano, así como a la naturaleza característica de la materia (Childs & Sheehan, 2009).

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Ilustración 2: Triángulo de Johnstone (Johnstone, 1993).

Mahaffy, (2006), propone que el modelo de triplete de la química debe incluir un nuevo vértice o nivel, “the human element” o elemento humano, el cual lo define como el sinónimo del aprendizaje contextual de la química; de esta manera, el Triángulo de Johnstone se transforma en un una figura espacial o un tetraedro, en donde sus vértices son lo macroscópico, molecular, simbólico y el elemento humano, (Ilustración 3); con esta propuesta, los estudiantes de Ciencias iniciarían su aprendizaje conociendo el contexto (conocimiento previo) en el cual se desenvuelven para llegar a un nivel macroscópico con lo apreciable, profundizando en lo microscópico y finalizando en la propuesta simbólica de la química, formando así un aprendizaje más “cómodo” y motivante para los estudiantes (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014).

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Ilustración 3: Tetraedro Químico de Mahaffy (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014).

Según Taber, (2013), el Triángulo de Johnstone queda expuesto, en el área del uso de definiciones propuestas en su triplete original, donde se ignoran las delimitaciones terminológicas entre los niveles, para adaptar el triángulo de manera efectiva en un contexto escolar; donde se debe re-describir cuando la Química posee un nivel de fenómeno químico o conceptualización macroscópica, para darle explicación con la conceptualización microscópica, y dejando fuera del triángulo, el nivel simbólico, el cual toma el papel de interconector entre lo macroscópico y microscópico, mediante el uso del vocabulario técnico y las representaciones formales de la química como se puede apreciar en la Ilustración 4; de esta manera se propone que los estudiantes deben tener conocimiento de los niveles en los cuales la Química trabaja, formando una predisposición en ellos, a subir y bajar entre los niveles, generando un aprendizaje más “cómodo” en la ciencia.

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Ilustración 4: Re-descripciones del Triángulo propuesto por Taber (Taber, 2013).

Galagovsky, (2003), denomina un nuevo nivel de representación, el cual llama nivel de representación semiparticulado (Ilustración 5); este se define como una fase durante el aprendizaje de la química, en donde existe la tendencia a proporcionar u otorgar rasgos perceptibles (macroscópicos) a entidades o conceptos no perceptibles (microscópicos) (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

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Ilustración 5: Nivel interpretacional Semi-particulado (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003)

Por lo que la química puede ser descrita en dos niveles de abstracción (Ilustración 6), el nivel macroscópico y el nivel simbólico; donde sus contenidos son expresados en distintos lenguajes: códigos, formatos sintácticos y gráficos; que permiten describir desde un nivel simbólico al nivel macroscópico (Galagovsky et al, 2003).

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Ilustración 6: Reconsideración del Triángulo de Johnstone (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

2. Elección del contenido disciplinar.

La enseñanza de la química es necesaria desde los primeros niveles educativos, ya que esta ciencia permite a base de abstracciones, comprender a través de la interpretación de fenómenos y planteamiento de modelos, de acuerdo a analogías mediante a partir de hipótesis o predicciones (Chamizo & García Franco, 2010), además, nos permite con cierto grado de exactitud y mediante su entendimiento, predecir situaciones desconocidas (Castillo, Ramírez, & González, 2013).

A partir de las Bases Curriculares, para los contenidos de Primer y Segundo Año de Educación Media (Ministerio de Educación de Chile, 2013), y considerando que es parte del Plan de Estudios de Química Común y/u Obligatoria para estos años, se produce una relación con los contenidos que se estudian en el primer año universitario en la asignatura de Química General, que en comparación con los estudios, acerca de las dificultades que poseen los estudiantes para entender y aprender los contenidos de Química, realizados por Johnstone, (1993), Galagovsky et al., (2003), y Childs & Sheehan, (2009), en esta investigación, se abordarán cuatro temáticas principales, que forman parte de los contenidos que se estudian en la enseñanza media y universitaria, siendo estas: Modelos Atómicos, Estados de Agregación de la materia, Reacción Química y Disoluciones Acuosas, con las cuales se analizarán los niveles de representación que utilizan los estudiantes de primer año universitario, en la asignaturas de Química General, que se imparte en distintas carreras de la universidad.

A continuación se expone la importancia y estrategias de enseñanza de las cuatro temáticas seleccionas en esta investigación:

- Modelos Atómicos: Este contenido es considerado como un pilar fundamental de la “La materia y sus transformaciones” en las asignaturas de Física y principalmente la Química, que parte su estudio en el 8° Básico y se profundiza el Primer Año de Educación Media (Ministerio de Educación de Chile, 2013). Los textos del estudiante, ofrecen una versión clásica de los modelos atómicos, donde no se exponen las limitaciones ni las problemáticas que contribuyen a la evolución de los mismos, y que conllevan a un aprendizaje memorístico, que no posee una familiarización o vínculo por parte de los estudiantes (Marchán- Carvajal & Sanmartí, 2015), y que favorece a que los alumnos consideren que la Teoría Atómica es un proceso científico ya terminado y que no puede tener modificaciones (Oliver Rodríguez, 2015). El estudio y aprendizaje de este contenido, conlleva también a hablar al desarrollo histórico de la Química como una ciencia de rigor, desde los aportes filosóficos de la escuela griega atomista y los principios fundamentales propuestos por Dalton, los acontecimientos que llevaron a Thomson y Rutherford para la postulación de modelos, hasta las interpretaciones matemáticas de Bohr, Heisenberg y Schrödinger con el modelo mecano-cuántico; y que, esta discusión del desarrollo científico no es estudiado hasta el Tercer Año de Educación Media en el Plan de Estudios de Química de Formación Diferenciada (Ministerio de Educación de Chile, 2009).

Actualmente el uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), mediante la implementación de softwares interactivos que facilitan el aprendizaje del estudiante, para explicar la composición de la materia a partir de representaciones graficas (modelos) y la composición del átomo (protón, electrón y neutrón), permite aumentar la motivación y comprensión de lo no observable (microscópico) (Nappa & Pandiella, 2013); Los estudiantes, llegan a las universidades desde distintos contextos, que varían desde establecimientos educacionales de escasos recursos, donde se utilizan representaciones graficas (simbólico) de los modelos atómicos de Thomson, Rutherford y Bohr, siendo ésta una de las razones de por qué el estudiante no logra comprender el contenido, o lo aprendido no se relaciona con las exigencias de la asignatura y/o lo solicitado por el Ministerio de Educación. De esta manera, y mediante el uso de TIC’s, los profesores hacen que lo no observable (Repetto Jiménez, Martínez Navarro, & Calvo Fernández, 2005), simbólico o microscópico, se transforme en un hecho tangible, macroscópico, para los estudiantes, haciendo interacción sólo entre dos niveles del triángulo de Johnstone, llevándonos a lo propuesto por Galagovsky, que el nivel microscópico es solo un lenguaje del nivel simbólico (Galagovsky et al., 2003).

- Estados de Agregación de la materia: La importancia del aprendizaje de este contenido, es que permite la comprensión de la naturaleza de la materia y que se ve estrechamente vinculada con la comprensión de los temas de la química. Este contenido se estudia desde los primeros niveles de Educación Básica, partiendo de los fenómenos cotidianos como por ejemplo: el agua, hielo y vapor (macroscópico); formando una secuencia que en el Octavo Año de Educación Básica se da a conocer las Leyes de los Gases en su comportamiento ideal (Ministerio de Educación de Chile, 2013), en la Educación Media, en química, se introducen principalmente al estado líquido con los conceptos implicados de disoluciones acuosas, como por ejemplo: disolución de la sal en agua (microscópico) y su representación en cálculo de concentraciones, propiedades coligativas, ecuaciones químicas y estequiometria (simbólico) (Ministerio de Educación de Chile, 2011).

Actualmente, y gracias a la incorporación de las TIC’s, el uso de softwares y representaciones gráficas, hace que los estudiantes visualicen los niveles macroscópico y microscópico, para ser llevados a la representación simbólica de los estados de agregación de la materia. Para Trinidad-Velasco & Garritz, (2003), explica que, aun con el uso de las TIC’s, existen concepciones alternativas en los estudiantes de los distintos niveles de Educación, en donde estos son capaces de explicar los cambios de estado, pero conciben la materia como continua y estática, en donde no existe vacío entre las partículas, dirigiendo sus explicaciones hacia lo tangible (macroscópico), o atribuyen propiedades macroscópicas como por ejemplo: el color, a partículas o representaciones microscópicas, además agregan que los estudiantes universitarios responden con frases de orden general, pero no se hace mención a partículas, incluso cuando las preguntas son dirigidas a la estructura corpuscular de la materia.

- Disoluciones Acuosas: Como se mencionó anteriormente, en Segundo Año de Educación Media, se introduce a los estudiantes en el contenido de disoluciones acuosas, su importancia para la vida cotidiana, industrial y científica nos permite comprender el comportamiento y formación de nuevas sustancias; no obstante, los textos del estudiante proponen su estudio desde la visión macroscópica (con ejemplos cotidianos) y simbólica (cálculo de concentraciones y estequiometría), dejando de lado las representaciones de nivel microscópico y contenidos históricos, que permiten la comprensión de las teorías asociadas al desarrollo de la teoría atómica y teoría energetista, con la evidencia que permitió a Davy, Van’t Hoff, Ostwald y Arrhenius, a la elaboración de modelos que permiten explicar el vínculo entre dichas teorías (Petrelly Celis & Vargas Buitrago, 2010). Con el uso de TIC’s y, asociando a los estados de agregación de la materia, los estudiantes deben manejar los tres niveles de abstracción (Johnstone, 1993), para explicar los hechos macroscópicos, como lo son la: disolución de las sustancias, mezcla homogénea y heterogénea; relacionarlos con la naturaleza y comportamiento de los compuestos iónicos y covalentes (microscópico), y llegar a la representación simbólica con cálculos estequiométricos y de concentración.

Investigadores como Sánchez Blanco, Pro Bueno & Valcárcel Pérez, (1997), proponen secuencias didácticas, para reconocer y diagnosticar concepciones alternativas o las ideas previas que poseen los estudiantes, en la etapa inicial del proceso de aprendizaje, para ser acompañados, por su parte motivacional en el desarrollo de experiencias de laboratorio y el uso de TIC’s, logrando así aprovechar al máximo este proceso, en los estudiantes; pero como se observa en los estados de agregación de la materia, éstos responden de manera alternativa o errónea, atribuyendo las propiedades macroscópicas a las partículas (microscópico), o incluso, utilizando términos como la desaparición, para dar explicación macroscópica a la disolución del azúcar en agua (Trinidad- Velasco & Garritz, 2003).

- Reacción Química: Desde la antigüedad, el desarrollo sociocultural de civilizaciones, se vincula con el desconocimiento del mecanismo y la comprensión de las operaciones metalúrgicas; en esta época surge un conflicto filosófico que promueve el concepto de átomo con la escuela atomista. Durante la edad media, los conocimientos alquímicos predominaban en la transmutación de los metales fundamentado en las cualidades de los cuatro elementos. La química moderna nace en la época Renacentista, donde la aplicación del método científico permitió a los químicos estudiar el comportamiento de los gases y la categorización de las sustancias por medio de reacciones químicas. Estos hechos históricos y científicos permitieron que en 1803, Dalton desarrollara su teoría atómica, donde se concretó el concepto elemento y compuesto, este último, basado en las leyes de las reacciones químicas, las cuales son:

- Ley de la conservación de la masa, 1789, propuesta por Lavoisier.
- Ley de proporciones definidas, 1801, propuesta por Proust.
- Ley de proporciones múltiples, 1803, propuesta por el mismo Dalton.

Estos y otros acontecimientos históricos sin mencionar, permiten definir a la reacción química como un proceso en el que una o más sustancias, llamados reactantes, se transforman en otras sustancias diferentes o también llamados productos. Es por el desarrollo científico y sociocultural que se vincula con los conceptos de la reacción química, que su estudio y aprendizaje es fundamentales para los estudiantes (Benítez Mondragón & Valderrama Santiago, 2014).

Para Johnstone, (1993), una de las mayores dificultades para el aprendizaje de la química, es la interpretación del nivel simbólico para explicar un fenómeno (macroscópico), el tema de la reacción química, que se inicia con algunos conceptos en las Bases Curriculares y Programas de Estudio de Sexto, Séptimo y Octavo Año de Educación Básica (Ministerio de Educación de Chile, 2013), llegan a Primer Año Medio en donde se estudia este contenido como una Unidad de Aprendizaje. Donde se evidencia que la mayor dificultad en el aprendizaje y comprensión de la reacción química, es la representación simbólica y microscópica, en donde Galagovsky et al., (2003), se refiere a la atribución de propiedades macroscópicas como el color y forma a las representaciones microscópicas, llegando a la conclusión de que en el lenguaje químico, la representación microscópica, es solo una representación de símbolos, dejando al triangulo de Johnstone en una línea o dominio bilateral entre el macroscópico y simbólico; en donde la representación de lo microscópico o partículas es una forma de expresión a partir de símbolos, para dar explicación a un fenómeno o algún hecho tangible.

Para enseñar este contenido, el uso TIC’s, como lo son los recursos digitales como videos y modelos, acompañados de actividades prácticas guiadas mediante actividades de representación gráfica, que permiten a los estudiantes ilustrar lo que ocurre en una reacción química a partir de los tres niveles de representación. Con esto, se aprovecha de manera significativa el desarrollo de representaciones múltiples, el proceso colaborativo de pares y la construcción de argumentos a lo largo del proceso de enseñanza-aprendizaje (Sánchez-Lazo Pérez, Gallegos-Cázares, & Flores-Camacho, 2015).

3. Modelos en Ciencias.

La palabra modelo es utilizada para indicar cosas, personas o actitudes; son representaciones analógicas que permiten explicar un objeto especifico; estos pueden clasificarse de acuerdo a analogías, a la porción del mundo o de acuerdo al contexto (Chamizo & García Franco, 2010).

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Ilustración 7: Tipos de modelos (Chamizo & García Franco, 2010).

- Modelos de acuerdo a analogía: Estos relacionan analogías con una porción del mundo; se derivan de hipótesis o predicciones las que posteriormente sometidas a prueba; estas analogías pueden ser materiales (prototipos), mentales (predicciones o explicaciones) y matemáticas (constitución de leyes, tradición científica).
- Modelos de acuerdo a la porción del mundo: Se basan en patrones repetitivos para dar explicación a fenómenos, el comportamiento de sistemas (ejemplo: económico, salud, crecimiento poblacional) u objetos.
- Modelos de acuerdo al contexto: Éstos nos remiten a un entorno o una situación determinada (histórica, política, social), dentro de esta categoría se debe diferenciar en qué contexto se trabaja, el científico y el contexto de la ciencia escolar o didáctica:
- Contexto científico: el conocimiento científico (cuando no se encuentra sujeto a restricciones de las compañías comerciales o patentes) es un conocimiento público, es la posibilidad de repetir, reiteradamente, los experimentos en distintas condiciones de espacio y tiempo, para su validación; la principal fuente de comunicación de este conocimiento es por medio de revistas especializadas (científicas).
- Contexto escolar o didáctico: los conocimientos construidos en un entorno escolar corresponde a la ciencia escolar; no es un reflejo de los saberes cotidianos (conocimientos o preconcepciones) de los alumnos, pero es una reconstrucción de la ciencia de los científicos. Aquí es donde la didáctica juega un papel fundamental, la transposición didáctica, que transforma los saberes científicos, para que los estudiantes generen aprendizaje.

Un ejemplo claro de los modelos didácticos, son los dibujos o representaciones que realizan estudiantes y profesores, para dar explicación a un hecho.

4. Red Sistèmica.

Para la recolección y análisis de datos cualitativos que se pueden obtener en un aula de clases a partir de entrevistas, observaciones y/o cuestionarios, este método propuestos por Blis & Ogborn (1983; 1985), señala que detrás de cada palabra expuesta en el contexto de una frase, existe un significado no expresado por esta. De esta manera las redes sistémicas resultan a partir del análisis de los textos, reflejando la dependencia e independencia de las ideas expresadas (Sanmartí & Jorba, 1996).

Al momento de elaborar una red sistémica, se parte de la lectura de los datos recogidos, posteriormente, se organizan diferentes categorías, de manera que el conjunto de dicha organización forme un “sistema”, las expresiones o palabras deben recibir una etiqueta para ser agrupadas por su significado. Los términos serán agrupados mediante barras formadas por una línea vertical donde se relacionen con la categoría principal, situada a la izquierda; cabe señalar, que a medida que se vaya avanzando hacia la derecha, el grado de precisión del instrumento aumenta, como se observa en el ejemplo de la Ilustración 8.

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Ilustración 8: Ejemplo de Red Sistématica de Domenech. (1991) (Sanmartí & Jorba, 1996).

CAPÍTULO III. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN Y OBJETIVOS.

PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

¿De qué manera los niveles de representación, propuestos por Johnstone, son utilizados por los profesores y estudiantes de primer año de universidad para dar explicación a preguntas de contenido disciplinar?

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo general

- Conocer que niveles de representación, utilizan los profesores y estudiantes de primer año de universidad, para explicar fenómenos o conceptos fundamentales de la química.
- Promover la investigación en la enseñanza de las ciencias en la educación superior de modo de mejorar el aprendizaje de la química.

1.2 Objetivos específicos

- Diseñar, aplicar y analizar un instrumento, que permita identificar los niveles representacionales que utilizan profesores y estudiantes de primer año de universidad para explicar conceptos disciplinares de la química.

- Identificar cuál es el nivel representacional más utilizado por profesores y estudiantes de primer año de universidad al momento de explicar conceptos disciplinares de química.
- Evaluar el uso de los niveles representacionales empleados en modelos que utilizan profesores y estudiantes de primer año de universidad, al momento de dar respuesta a interrogantes de contenido disciplinar de la química.

CAPÍTULO IV. METODOLOGÍA.

Esta investigación es de tipo Exploratoria con un diseño semi-experimental, en donde tras la aplicación de un instrumento, obtendremos la información necesaria para explorar en los niveles que utilizan, tanto estudiantes como profesores, para dar explicación a fenómenos en química.

Primeramente se diseñó un instrumento que permitiera recoger la información proveniente de los profesores y los estudiantes, los que fueron sometidos a juicio de expertos y posteriormente validados con una muestra pequeña. Dicho instrumento constaba de cuatro preguntas, ver anexo (pág. 66-68), que fueron planteadas tras la revisión bibliográfica de los trabajos de Childs & Sheehan, (2009), Lewthwaite, Doyle & Owen, (2014) y Johnstone, (1993), entre otros, donde se observó, cuáles eran los contenidos en que los estudiantes poseen mayores dificultades de representación, aprendizaje y comprensión de los conceptos implicados.

La muestra quedó constituida por un total de 46 personas, de las cuales, 3 son profesores de la asignatura de Química General que se imparte para distintas carreras dentro de la universidad y 43 estudiantes, quienes cursaban la asignatura de Química, a los cuales se les aplico el instrumento.

Los estudiantes se clasificaron como:

- Estudiantes de Carreras Químicas: Estudiantes pertenecientes a carreras conducentes al título de químico o semejante.
- Estudiantes de Otras Carreras: Estudiantes pertenecientes a carreras en cuya malla curricular se requiere aprender la asignatura de Química General.

Además los alumnos fueron categorizados como Total de Estudiantes.

La manera de interpretar las respuestas obtenidas en esta investigación, surge del proyecto diseñado por Committee on Chemistry Education, de la IUPAC, y denominado “Design for International Standards for Chemistry Education (ISCE)”, iniciado el 01 de Julio de 2013 y finalizado el 2015, cuyo objetivo es: Identificar y especificar la alfabetización química que los estudiantes de primaria y secundaria tienen que desarrollar durante sus años escolares (Committee on Chemistry

Education, 2013), la información fue categorizada por medio de la construcción de redes sistemáticas, donde se dilucido que, una respuesta puede albergar uno o más niveles representacionales propuestos por Johnstone, los cuales fueron trabajados mediante frecuencia acumulada, ver anexos (pág. 73), y que posteriormente, condujo a la elaboración de gráficos porcentuales, obtenido de esta manera, patrones repetitivos a lo largo del análisis de la información.

CAPÍTULO V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIONES.

Los gráficos expresados en porcentaje fueron obtenidos a partir de la compilación de frecuencia acumulada en las respuestas, ver anexos (pág. 73), esto se debe a que una sola respuesta, puede albergar los tres niveles de abstracción propuestos por Johnstone, por lo tanto, el porcentaje obtenido, es la acumulación de patrones repetitivos a lo largo del análisis de la información.

A continuación se presentan los resultados obtenidos categorizados por Número de Pregunta, tipo de Estudiantes, Total de Estudiantes, Profesores y finalizando en el Análisis de los niveles representacionales utilizados por todos los Participantes, que permite evidenciar el o los niveles que más se emplean.

a. Análisis de la Pregunta 1: Modelos Atómicos

¿Cómo podrías representar los modelos atómicos de Dalton, Thomson, Rutherford y Bohr en base a la teoría corpuscular de la materia?

i. Estudiantes de Carreras Químicas:

En base a la construcción de la Red Sistemática N°1.

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Red Sistématica 1: Pregunta N°1: Modelos atómicos, Estudiantes de Carreras Químicas.

Para las tres categorías de representación, se observa un predominio del nivel simbólico en estos estudiantes, siendo la gráfica la más utilizada por ellos; esto se debe por una parte que la pregunta es de desarrollo, y por otra a que los modelos atómicos son enseñados mediante la representación gráfica en la educación secundaria.

ii. Estudiantes de Otras Carreras:

Mediante la elaboración de la Red Sistemática N°2.

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Red Sistématica 2: Pregunta N°1: Modelos atómicos, Estudiantes de Otras Carreras.

Esta pregunta es respondida aproximadamente por la mitad de los estudiantes, y el resto de ellos no la responde; dentro del grupo que la responde, se observa que ellos utilizan representaciones de nivel simbólico cuando explican los modelos atómicos y solo algunos alumnos son capaces de relacionar al menos dos niveles representacionales como el simbólico con el macroscópico y/o microscópico.

iii. Total de Estudiantes:

A continuación se muestran los niveles representacionales utilizados por los estudiantes en la pregunta N°1 en términos de porcentaje:

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Gráfico 1: Estudiantes de Carreras Químicas.

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Gráfico 2: Estudiantes de Otras Carreras.

De estos gráficos, elaborados a partir de las tablas de datos en anexos (pág.73), observamos, que un bajo porcentaje de estudiantes de carreras químicas no responde la pregunta, en cambio para los estudiantes de otras carreras es alto, esto probablemente se debe a que en su formación secundaria, este contenido no haya sido aprendido de manera significativa, pues por lo general se recurre a la representación gráfica de los modelos atómicos en desmedro de la representación escrita ya sea a nivel macroscópico o microscópico.

De las respuestas obtenidas entre las dos categorías de estudiantes, podemos deducir que la pregunta invita a la representación simbólica de los modelos atómicos, debido a que este es un contenido de alto nivel de abstracción, y los alumnos relacionan con mayor facilidad la representación gráfica con respecto a la escrita.

El uso del nivel macroscópico, por los estudiantes de otras carreras, nos permite deducir, que ellos prefieren relacionar los modelos atómicos con los experimentos que aportaron a los científicos, mediante la representación gráfica, siendo la ilustración del experimento de la lámina de oro de Rutherford, la más mencionada entre las respuestas.

De esta manera, observamos, que son pocos los estudiantes que utilizan el nivel microscópico, dado que en sus respuestas, ellos representan por medio de signos negativos (-) a los electrones y positivos (+) a los protones, esto se debe a la relación que posee la carga de las partículas y la representación gráfica de los modelos atómicos aprendidos en la enseñanza media.

Para los conceptos relacionados con este contenido, los estudiantes en su proceso de aprendizaje, no tienen conocimiento previo que les permita dar un significado a estas ideas o modelos (Johnstone, 1993); ellos tienden a asociar con mayor facilidad modelos como el “budín de pasas” para identificar el modelo atómico de Thomson o el “sistema planetario/solar” para el modelo de Rutherford; dejando en evidencia que los Objetivos de Aprendizaje: O.A^[2]: 12 “Investigar y analizar cómo ha evolucionado el conocimiento de la constitución de la materia, considerando los aportes y evidencias de: la teoría atómica de Dalton, los modelos atómicos desarrollados por Thomson, Rutherford y Bohr, entre otros’’ y O.A: 13 “Desarrollar modelos que expliquen que la materia está constituida por átomos que interactúan, generando diversas partículas y sustancias”^[3], de 8vo Año Básico, no se cumplen a cabalidad, debido, a la falta de estrategias didácticas en esta etapa del aprendizaje (Nappa & Pandiella, 2013).

iv. Profesores:

(¿Cómo podría usted representar, en sus clases, los modelos atómicos de Dalton, Thomson, Rutherford y Bohr basándose en la teoría corpuscular de la materia?)

El Gráfico N°3, elaborado a partir de red sistemática y tabla de datos en anexos (pág. 69 y 73), muestra los niveles representacionales que predominan en las respuestas dadas por los profesores expresado en porcentaje para la pregunta N°1:

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Gráfico 3: Niveles representacionales utilizados por los Profesores.

Podemos decir que la mayoría de los profesores emplean el nivel simbólico, mediante la explicación a partir de la representación gráfica de los modelos atómicos; también se aprecia que hacen referencia a fenómenos macroscópicos o bien los experimentos realizados por los científicos, relacionándolo con la estructura del átomo, pues hacen mención al descubrimiento de los electrones, protones y neutrones, o bien en sus ilustraciones, representan con símbolos positivos (+) y negativos (-) la carga de las partículas que conforman el átomo.

De esta manera, deducimos que, para enseñar los conceptos relacionados en la teoría atómica, los profesores tienden a utilizar con mayor frecuencia el nivel simbólico mediante representaciones gráficas, o bien, realizando una secuencia histórica del desarrollo de las teorías haciendo énfasis en los modelos propuestos por los científicos.

b. Análisis de la Pregunta 2: Estados de Agregación

Te invitamos a ilustrar los estados de agregación de la materia

i. Estudiantes de Carreras Químicas:

Las respuestas entregadas por los estudiantes de carreras químicas dieron origen a la construcción de la Red Sistemática N°3.

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Red Sistématica 3: Pregunta N°2: Estados de agregación, Estudiantes de Carreras Químicas.

Los resultados permiten deducir que la mayoría de los estudiantes utilizan representaciones de nivel macroscópico cuando explican los estados de agregación y algunos de ellos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el macroscópico con el microscópico y/o simbólico, esto se observa cuando los alumnos plantean modelos gráficos para responder a la pregunta.

ii. Estudiantes de Otras Carreras:

La Red Sistemática N°4, muestra las respuestas entregadas por los estudiantes de otras carreras.

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Red Sistématica 4: Pregunta N°2: Estados de agregación, Estudiantes de Otras Carreras.

Se observa que la mayoría de los estudiantes al igual que los pertenecientes a Carreras Químicas también emplean representaciones macroscópicas cuando explican los estados de agregación y algunos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el macroscópico con el simbólico y/o microscópico, esto se observa cuando plantean modelos gráficos para dar respuesta a esta pregunta.

iii. Total de Estudiantes:

A continuación se muestran los gráficos, elaborados a partir de las tablas de datos en anexos (pág.73), para los niveles representacionales utilizados por los estudiantes en la pregunta N°2 en porcentaje:

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Gráfico 4: Estudiantes de Carreras Químicas.

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Gráfico 5: Estudiantes de Otras Carreras.

Observamos, que un bajo porcentaje de estudiantes de otras carreras no responde a la pregunta, en cambio el de estudiantes de carreras químicas es alto, probablemente se debe a que este contenido se enseña a lo largo del proceso de enseñanza y aprendizaje, siendo repetitivo para los alumnos, y generando una falta de interés en ellos hacia la temática que engloba este contenido.

Entre las respuestas entregadas por los estudiantes, nos permiten deducir que, las representaciones graficas de nivel macroscópico, son las ilustraciones más comunes, debido a que los jóvenes tienden a asociar un fenómeno observable familiar, como lo es un vaso de agua o un cubo de hielo, con los conceptos de los cambios de estado. También las representaciones escritas de diagramas de fase, son comunes entre el alumnado, esto se debe a que, en su proceso de enseñanza, los profesores tienden a utilizar este tipo de representación para, mostrar de manera cómoda y ordenada, los procesos a los que se ve sometida la materia para llevar a cabo el cambio de estado.

El nivel microscópico, se puede apreciar en representaciones gráficas, donde, las ilustraciones de esferas organizadas para cada cambio de estado, se relaciona con el ejemplo utilizado por los profesores al explicar este concepto (Johnstone, 1993), pero a su vez, la ejemplificación de esferas puede traducirse como un lenguaje de símbolos (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003), de esta manera, los niveles simbólico y microscópico se encontrarían relacionados al momento de observar representaciones graficas de esferas para dar explicación a los cambios de estado.

De las respuestas obtenidas, se puede señalar que los conceptos vinculados con esta temática son relacionados con mayor facilidad con situaciones cotidianas, que son familiares, para los alumnos como un vaso de agua o colocar una olla con agua a hervir, por esto la representación gráfica del nivel macroscópico deja en desmedro a la representación escrita, ya sea de nivel macroscópico o microscópico. Por lo que los OA: 15 “Investigar

experimentalmente los cambios de la materia y argumentar con evidencia empírica que estos pueden ser físicos o químicos’’^[4] en 7mo Año Básico y el OA: 15: “Explicar, por medio de modelos y experimentación, las propiedades de las soluciones en ejemplos cercanos, considerando: el estado físico (sólido, líquido y gaseoso)”^[5] del 2do Medio; se cumplen pero dejan de lado la vinculación con los niveles microscópico y simbólico con respecto al macroscópico.

iv. Profesores:

(Lo invitamos a ilustrar de qué manera explica los estados de agregación de la materia para sus clases)

El Gráfico N°6, elaborado a partir de red sistemática y tabla de datos en anexos (pág. 69 y 73), muestra los niveles representacionales que predominan en las respuestas dadas por los profesores expresado en porcentajes:

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Gráfico 6: Niveles representacionales utilizados por los Profesores.

Podemos decir que la mayoría de los profesores emplean el nivel microscópico, mediante la explicación a partir de la representación gráfica de esferas para los cambios de estado, haciendo referencia a las interacciones intermoleculares y relacionándolo directamente con los otros dos niveles representacionales, simbólico y macroscópico.

De esta manera, deducimos que, para enseñar los conceptos asociados a los cambios de estado, los profesores tienden a utilizar con mayor frecuencia el nivel microscópico a partir de representaciones gráficas, nivel del cual, se hace relación directa para explicar lo macroscópico y simbólico. También debemos decir que, las representaciones de esfera pueden traducirse en tipo de lenguaje del nivel simbólico (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

c. Análisis de la Pregunta 3: Reacción Química

Cómo podrías representar la siguiente reacción química: donde se tiene cloruro de sodio (NaCl) con el nitrato de plata (ЛдЫОэ) para producir un precipitado blanco de cloruro de plata (AgCl) y Nitrato

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i. Estudiantes de Carreras Químicas:

Los estudiantes de carreras químicas, permitieron el ordenamiento de datos que dan como resultado la Red Sistemática N°5.

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Red Sistématica 5: Pregunta N°3: Reacción Química, Estudiantes de Carreras Químicas.

Esta red sistemática nos muestra que la mayoría de estos estudiantes no responde a la pregunta, y de las respuestas obtenidas se observa que la mayoría de ellos utiliza representaciones de nivel simbólico cuando explica las reacciones químicas y además algunos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el simbólico con el macroscópico y/o microscópico.

ii. Estudiantes de Otras Carreras:

La Red Sistemática N°6, presenta las respuestas obtenidas por los estudiantes de otras carreras.

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Red Sistématica 6: Pregunta N°3: Reacción Química, Estudiantes de Otras Carreras.

Desde la red sistemática se observa que aproximadamente la mitad de los estudiantes no responde a la pregunta de reacción química, y que a partir de las respuestas obtenidas, los estudiantes utilizan representaciones de nivel simbólico cuando explican las reacciones químicas, pero no son capaces de relacionar los tres niveles representacionales al plantear sus modelos.

iii. Total de Estudiantes:

A continuación se presentan los niveles representacionales utilizados por los estudiantes en la pregunta N°3 en términos de porcentaje.

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Gráfico 7: Estudiantes de Carreras Químicas.

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Gráfico 8: Estudiantes de Otras Carreras.

De estos gráficos, elaborados a partir de las tablas de datos en anexos (pág.73), observamos, que un bajo porcentaje de estudiantes de otras carreras emplea el nivel macroscópico para responder a la pregunta, en cambio los estudiantes de carreras químicas es alto, esto probablemente se debe a que en su formación durante la educación media, este contenido haya sido estudiado a partir de experiencias prácticas que fueron representadas a partir de dibujos de vasos de precipitado, donde se agregaban los reactivos.

La carencia del nivel microscópico en estudiantes de otras carreras, puede deberse también a la dificultad de los conceptos vinculados a la reacción química (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014), lo que se refleja en los estudiantes de carreras químicas, el nivel representacional, es omitido por los estudiantes, donde además no se realiza una relación en los conceptos de formación y ruptura de enlace químico y/o la reorganización de los átomos vinculados con las fuerzas de atracción atómica e intermolecular que se llevan a cabo en una reacción química.

En la construcción de la pregunta, permite descartar el planteamiento de la reacción mediante ecuaciones químicas, pues, la mayoría de la información obtenida de los participantes, refleja la repetición de la ecuación, dando cuenta que la representación escrita de nivel simbólico, no posee una relevancia significativa para los estudiantes en los niveles macroscópico y microscópico.

Además, las preguntas no respondidas, se reflejan mediante altos porcentajes, que puede deberse a dificultades para la comprensión y relación de los conceptos asociados a este contenido.

Esta falta de respuestas, invita a considerar que los en el proceso de aprendizaje de los estudiantes, el OA: 20: “Establecer relaciones cuantitativas entre reactantes y productos en reacciones químicas (estequiometría) y explicar la formación de compuestos útiles para los seres vivos, como la formación de glucosa en la fotosíntesis”6, no se cumple a cabalidad, debido a que estos contenidos forman parte de la última unidad temática estudiada en 1er Año Medio, que bien pudo ser omitido y/o revisado de forma superficial; también puede evidenciar la falta de estrategias didácticas que motiven esta etapa del aprendizaje y que logre familiarizar a los alumnos a los conceptos de reacción química (Childs & Sheehan, 2009). Se señala que la falta de respuestas, puede ser influenciada por el hecho que los alumnos estudian simplemente a fin de conseguir una calificación para aprobar la asignatura y no, para vincular los conceptos adquiridos a lo largo del proceso educativo de las secuencias de aprendizaje de esta unidad temática (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

6 (Ministerio de Educación de Chile, 2013, pág. 177)

iv. Profesores:

(Cómo podría usted representar la reacción química en sus clases: donde se tiene cloruro de sodio (NaCl) con el nitrato de plata (AgNOe) para producir un precipitado blanco de cloruro de plata (AgCl) y Nitrato de sodio (NaNOe).

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El Gráfico N°9, elaborado a partir de red sistemática y tabla de datos en anexos (pág. 70 y 73), muestra los niveles representacionales que predominan en las respuestas de entregadas por los profesores, expresado en términos de porcentaje:

En donde, se puede deducir que los profesor utilizan representaciones de nivel simbólico cuando explican las reacciones químicas, estos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el nivel simbólico con el macroscópico y/o el microscópico.

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Gráfico 9: Niveles representacionales utilizados por los Profesores.

También hacen referencia a la organización de las moléculas, iones y/o átomos, o bien a la ruptura y formación de enlaces, estas respuestas son de nivel microscópico.

De esta manera, podemos decir que, para enseñar los conceptos asociados a la reacción química, los profesores tienen a utilizar con mayor frecuencia el nivel simbólico a partir de representaciones escritas, nivel del cual, hacen relación directa para explicar lo microscópico y macroscópico.

d. Análisis de la Pregunta 4: Disolución Acuosa:

¿Cómo presentarías la disolución del cloruro de sodio (NaCl) en agua?

i. Estudiantes de Carreras Químicas:

Las respuestas fueron organizadas en la Red Sistemática N°7.

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Red Sistématica 7: Pregunta N°4: Disolución acuosa, Estudiantes de Carreras Químicas.

Esta red muestra que la mayoría de los estudiantes utiliza representaciones de nivel macroscópico cuando explican las disoluciones acuosas y algunos de ellos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el macroscópico con el simbólico y/o microscópico, esto se observa cuando los alumnos plantean modelos para responder a la pregunta.

ii. Estudiantes de Otras Carreras:

La Red Sistématica N°8, refleja la organización de la evidencia obtenida a partir de las respuestas de los estudiantes de otras carreras.

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Red Sistématica 8: Pregunta N°4: Disolución acuosa, Estudiantes de Otras Carreras.

Esta Red Sistématica refleja el predominio de la representación escrita y representación gráfica entre las respuestas. También muestra que la mayoría de los estudiantes utilizan representaciones de nivel macroscópico cuando explican las disoluciones acuosas y algunos de ellos son capaces de relacionar los tres niveles representacionales como el macroscópico con el simbólico y/o microscópico, esto se observa cuando los alumnos plantean modelos para responder a la pregunta.

Además podemos decir que la mitad de los estudiantes no responde a la pregunta.

iii. Total de Estudiantes:

A continuación se presentan los niveles representacionales utilizados por los estudiantes en la pregunta N°4 en términos de porcentaje:

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Gráfico 10: Estudiantes de Carreras Químicas.

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Gráfico 11: Estudiantes de Otras Carreras.

A partir de los gráficos, elaborados a partir de las tablas de datos en anexos (pág.73), se observa que un bajo porcentaje de estudiantes utiliza el nivel microscópico, pero, dentro de las respuestas obtenidas, un alto porcentaje del alumnado usa representaciones de nivel simbólico, como son los símbolos químicos (Na+, NaCl (ac) o Cl-), podemos decir entonces, que ciertas representaciones de nivel microscópico pueden ser interpretadas como una forma de ilustrar el nivel simbólico (Galagovsky, Rodríguez, Starnati, & Morales, 2003).

El dominio macroscópico y simbólico observado en las respuestas, desplaza a las representaciones de nivel microscópico; esto se debe a la relación entre los contenidos seleccionados para el estudio, la formación de las etapas de formación del estudiante y las estrategias didácticas empleadas por los docentes para promover el aprendizaje en estos (Sánchez Blanco, Pro Bueno, & Valcárcel Pérez, 1997), donde los Objetivos de Aprendizaje del Segundo Año Medio no se relacionan con las respuestas de los estudiantes.

Además, se aprecia, que un bajo porcentaje de alumnos de las carreras químicas no responde a la pregunta, en cambio el porcentaje de estudiantes de otras carreras es alto, esto probablemente se debe a que en la educación media, este contenido no haya sido aprendido de manera significativa, pues por lo general, se recurre a la representación simbólica mediante el planteamiento de ecuaciones químicas o el cálculo de concentraciones, que dejan de lado al nivel microscópico.

Los conceptos implicados con esta temática poseen relación a los resultados obtenidos en la pregunta N°2, estados de agregación de la materia, donde la temática es familiar para los estudiantes, que tienden a relacionar con facilidad la representación gráfica de nivel macroscópico, mediante un vaso de agua con sal, y de nivel simbólico con el planteamiento de ecuaciones químicas, dejando de lado al nivel microscópico, que hace referencia a la estructura y reorganización de los iones al ser disueltos o a las fuerzas intermoleculares. Por lo que el OA: 15 “Explicar, por medio de modelos y experimentación, las propiedades de las soluciones en ejemplos cercanos, considerando: el estado físico (sólido, líquido y gaseoso), sus componentes (soluto y solvente), la cantidad de soluto disuelto (concentración)”7 no se cumple a cabalidad, esto puede deberse a la falta de estrategias didácticas en esta etapa del aprendizaje (Nappa & Pandiella, 2013), que permitan a los alumnos vincular los niveles representacionales con mayor facilidad.

7 (Ministerio de Educación de Chile, 2013, pág. 183)

iv. Profesores:

(¿Cómo representaría la disolución del cloruro de sodio (NaCl) en agua en sus clases?)

En el Gráfico N°12, elaborado a partir de red sistemática y tabla de datos en anexos (pág. 70 y 73), muestra los niveles representacionales que predominan en las respuestas de los profesores, estas se expresan en porcentaje:

Podemos decir que los profesores emplean, de manera simultánea, los niveles simbólico y microscópico, haciendo énfasis en la formación y ruptura de enlaces, fuerzas de interacción atómica e intermolecular, relacionándolo simbólicamente con el uso de símbolos y ecuaciones químicas para explicar los conceptos de disolución acuosa, dejando de lado la representación macroscópica para enseñar este contenido.

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Gráfico 12: Niveles representacionales utilizados por los Profesores

El nivel simbólico concuerda con los datos obtenidos en los estudiantes, demostrando, que los profesores prefieren enseñar a partir de este nivel representacional los conceptos implicados en la temática, pero dejando de lado el nivel macroscópico, el cual llega a ser significativo para los estudiantes, dado que de esta manera, se obtiene una mayor facilidad al momento de familiarizarse con los contenidos (Nappa & Pandiella, 2013).

e. Análisis de los Niveles representacionales utilizados en todas las respuestas de los Participantes

Tras la recopilación de datos, el tratamiento de todas las respuestas, se realizó con base a la frecuencia acumulada, ver tabla de datos en anexos (pág. 73), debido a que las representaciones poseen uno o más niveles de abstracción del triplete químico, con ello, se obtiene el siguiente gráfico (Gráfico N°13) expresado en porcentaje:

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Gráfico 14: Niveles representacionales utilizados por los Participantes.

El alto porcentaje de preguntas sin responder, puede interpretarse como evidencia de las dificultades de aprendizaje en la Enseñanza Media (Taber, 2013), donde los profesores de esta etapa de la enseñanza, deben emplear actividades y estrategias didácticas para generar aprendizaje de los conceptos abstractos de la química (Sánchez Blanco, Pro Bueno, & Valcárcel Pérez, 1997) & (Chamizo & García Franco, 2010), aquí la brecha entre el lenguaje cotidiano y científico (Johnstone, 1993), responde a la no asimilación del lenguaje científico mediante un proceso gradual y contextual hacia el estudiante. Un profesor puede escribir una ecuación, un gráfico de datos o fórmulas, que como experto en el área, tienen un sentido para él, al ser capaz de describir un fenómeno a través de símbolos; mientras que para el alumno no posee ningún tipo de significado, o al momento de intentar asimilarlo, puede generar concepciones alternativas desde sus aprendizajes previos (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003). La literatura sobre investigaciones en educación en química, revelan que los estudiantes evidencian habilidades para aprobar evaluaciones Además el instrumento aplicado, invita a reconsiderar la reinterpretación de modelos o ilustraciones que utilizan tanto estudiantes como docentes, para dar explicación a partir de sus conocimientos, previos u obtenidos en su formación educativa, a los fenómenos o situaciones “problema”, que induce a reflexionar a los expertos en el área de la educación química, sobre el papel que desempeñan los errores conceptuales y el conflicto cognitivo a lo largo de los distintos niveles de educación (Trinidad-Velasco & Garritz, 2003).

Sugerencias para profesores:

A lo largo de esta investigación, podemos deducir que el poco uso del nivel microscópico por parte de los estudiantes, se debe a que estos no poseen un dominio de dicho nivel representacional, con ello, también podemos decir que la poca relación entre los tres niveles, o al momento de moverse de un nivel a otro, los alumnos no logran establecer un vínculo o relación entre las evidencias macroscópicas, el orden molecular y/o atómico que permite la existencia de esta y el planteamiento de modelos que satisfagan la explicación de dicho hecho en concreto.

Además, el profesor debe considerar y partir la inducción de los contenidos, de las ideas previas que los estudiantes poseen, lo cual le dará a conocer los hechos observables, dudas, concepciones y/o modelos alternativos que tienen sus alumnos sobre el contexto en el que estos se desenvuelven; con esta información, el profesor, generará en los estudiantes el interés para crear argumentos que dan explicación a lo que sucede a su alrededor; a su vez, el uso de guías didácticas junto con actividades experimentales que consientan la aplicación de representaciones, dará como resultado una colección de datos importantes, y así tomar las decisiones necesarias para lograr un desafío cognitivo que lleve al aprendizaje significativo en sus estudiantes (Castillo, Ramírez, & González, 2013) y que fortalezcan el desarrollo de habilidades cognitivas y científicas, si el profesor aborda las temáticas desde varios ejes.

El uso guías de aprendizaje, actividades de experimentación prácticas, softwares interactivos, y vinculación con situaciones socioculturales e históricas, permitirán a los estudiantes ser capaces de moverse de un nivel representacional a otro, con mayor facilidad, al verse familiarizados con los contenidos, dado que los conceptos asociados a dicha temática, tendrán una mayor apropiación por parte de los alumnos y así, al momento de avanzar de una actividad de aprendizaje a otra, generar conflictos cognitivos que promuevan el aprendizaje significativo en los estudiantes (Sánchez-Lazo Pérez, Gallegos-Cázares, & Flores-Camacho, 2015). Tras la apropiación de los contenidos, el uso de las representaciones gráficas y la postulación de modelos generados por los propios alumnos, permitirían el desarrollo de las habilidades de conocimiento científico, así como la posibilidad de que los estudiantes lleguen a la capacidad de predecir y explicar problemáticas que para ellos son completamente desconocidas mediante la discusión participativa de sus pares.

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES.

Las respuestas de los profesores y estudiantes, reflejan la complejidad de la química, donde se encuentran diferencias y dificultades, que al momento de solicitarles que expongan representaciones o ilustraciones para dar explicaciones, a fenómenos o conceptos, que varían según su grado de formación. El uso de un lenguaje científico (expertos) y el de un lenguaje cotidiano (estudiantes), para cada representación expuesta en la investigación, posee códigos y formatos que, para los expertos, pueden llegar a ser calificados como alternativos o incluso erróneos. Debemos considerar a la química como una ciencia de rigor, que se funda en las ciencias naturales y se acopla con la biología (bioquímica, orgánica), la física (termodinámica, teoría atómica) y principalmente con las matemáticas (igualación de ecuaciones e interpretación de datos) (Childs & Sheehan, 2009), lo que causa que los estudiantes al observar una ecuación o formula química, no logren asociar o familiarizar el nivel simbólico con un fenómeno o hecho de nivel macroscópico cotidiano y/o especifico (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014); es aquí donde los profesores, de las distintas etapas de formación, juegan un papel primordial para desarrollar la familiarización de los niveles de abstracción que poseen las ciencias, a través de estrategias didácticas que permitan un aprendizaje cómodo en los estudiantes (Johnstone, 1993), (Chamizo & García Franco, 2010) & (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014).

Respondiendo a la pregunta de investigación, ¿De qué manera los niveles de representación, propuestos por Johnstone, son utilizados por los docentes y estudiantes de primer año de universidad para dar explicación a preguntas de contenido disciplinar?, se debe considerar la modificación de los niveles de representación, en el triplete químico (Johnstone, 1993), para la formación de expertos en el área y futuros docentes, dado que en estos no existe un límite entre los microscópico y simbólico (Lewthwaite, Doyle, & Owen, 2014) y (Taber, 2013); a su vez, los profesores y expertos, emplean representaciones como esferas, óvalos y/o cuadrados, para ilustraciones de carácter microscópico, pero que al ser utilizados, se evidencia un lenguaje de fórmulas, símbolos y figuras geométricas, que pertenecen al nivel simbólico. Por ello, se puede concluir que el nivel microscópico, en sí mismo, es solo un lenguaje del nivel simbólico (Galagovsky, Rodríguez, Stamati, & Morales, 2003).

A lo largo de la investigación, se ha permitido evidenciar que la química es una ciencia, abstracta y compleja, que posee un desarrollo histórico no lineal, que ha permitido fundamentar y comprender la naturaleza a base de teorías y modelos, varios autores como: Trinidad-Velasco & Garritz, (2003), Repetto Jiménez et al., (2005), Petrelly Celis & Vargas Buitrago, (2010), Benítez Mondragón & Valderrama Santiago, (2014), Nappa & Pandiella, (2013) y Oliver Rodríguez, (2015), concluyen en sus distintas estudios, que para fomentar el aprendizaje significativo en los estudiantes, el profesor debe ser consciente de las concepciones alternativas de estos, así con el contexto escolar, la construcción de instrumentos didácticos, y sobre todo, apuntando a enseñar la química desde un contexto histórico y cercano por medio de las TIC’s y la incorporación de la dimensión de Ciencia, Tecnología y Sociedad, CTS, para impulsar la participación de los alumnos en la sociedad, el razonamiento crítico, considerando siempre que la ciencia posee limitaciones y que su desarrollo es un proceso continuo que posee cambios, y valorando sus beneficios para el futuro sociocultural (Petrelly Celis & Vargas Buitrago, 2010). En definitiva, este trabajo invita a realizar futuras investigaciones en el área considerando otras variables y estrategias, que permitan evidenciar los posibles factores que se producen, tanto en expertos como en estudiantes, que al momento de ilustrar o representar un dominio de los niveles de abstracción químicos.

BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS

Instrumento de Estudio

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a. Redes Sistemáticas

A continuación se presentan las siguientes redes sistemáticas ordenadas por Profesores y Respuestas de Todos los Estudiantes:

- Profesores:

- Pregunta N°1: Modelos Atómicos, Profesores.

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- Pregunta N°2: Estados de agregación, Profesores.

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- Pregunta N°3: Reacción Química, Profesores.

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- Pregunta N°4: Disolución Acuosa, Profesores.

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- Pregunta N°1: Modelos atómicos, Respuestas de Todos los estudiantes.

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- Pregunta N°2: Estados de agregación, Respuestas de Todos los estudiantes.

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- Pregunta N°3: Reacción Química, Respuestas de Todos los estudiantes.

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- Pregunta N°4: Disolución Acuosa, Respuestas de Todos los estudiantes.

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b. Tablas de Datos

A continuación se presentan las tablas de datos ordenadas por Estudiantes de Carreras Químicas, Estudiantes de Otras Carreras, Profesores y Total de las Respuestas Obtenidas:

- Estudiantes de Carreras Químicas:

Tabla N°1: Frecuencia de las respuestas de los Estudiantes de Carreras Químicas.

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- Estudiantes de Otras Carreras:

Tabla N°2: Frecuencia de las respuestas de los Estudiantes de Otras Carreras.

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- Profesores:

Tabla N°3: Frecuencia de las respuestas de los Profesores.

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- Total de las Respuestas Obtenidas en todas las Preguntas:

Tabla N°4: Frecuencia Total de las Respuestas Obtenidas en todas las Preguntas.

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^[1] (Johnstone, 1993)

^[2] Desde ahora y en adelante, se abrevia OA, acompañado del número de descripción, para los Objetivos de Aprendizaje, exigidos por (Ministerio de Educación de Chile, 2013).

^[3] (Ministerio de Educación de Chile, 2013, pág. 170)

^[4] (Ministerio de Educación de Chile, 2013, pág. 164)

^[5] (Ministerio de Educación de Chile, 2013, pág. 183)