Actividades prácticas de laboratorio e indagación en el aula

Las actividades prácticas de laboratorio. Evolución conceptual

En la enseñanza de las ciencias naturales (biología, física y química) se pueden emplear muchos tipos de actividades, considerando esta como toda situación de enseñanza en la que hay interacción entre tareas del docente y tareas de los alumnos. Muchas son comunes con otras disciplinas, sin embargo, las actividades de laboratorio o las salidas de campo son características de las disciplinas científicas y en ellas predomina el enfoque investigador, siendo la fuente de información el fenómeno explorado (Cañal de León et al., 2011).

De la revisión de la literatura, se concluye que se toman como sinónimos los conceptos trabajos prácticos y actividades prácticas. Sin embargo, algunos autores (Bonito y Trindade, 2008; Fernández-Marchesi, 2014) han distinguido estos conceptos a partir de diferentes enfoques de análisis. La palabra trabajo¹. proviene de una idea ligada al sufrimiento o al dolor (Tripalium)².. Su origen está vinculado con un enfoque de enseñanza positivista en el que el aprendizaje se considera como un trabajo que requiere de esfuerzo, sufrimiento y sacrificio (Fernández-Marchesi, 2014). En cambio, el concepto actividad posee una connotación relacionada con la acción de obrar, de operar, de realizar tareas propias. Es un concepto apropiado para denominar las actividades que los estudiantes pueden realizar en un laboratorio desde un enfoque constructivista Bonito, 1996). Por ello, el concepto de actividades prácticas (AP) se vislumbra como más amplio y válido dentro de las corrientes actuales de la didáctica de las ciencias naturales.

Características de las actividades prácticas de laboratorio

Algunos autores (Barberà y Valdés, 1996; Del Carmen, 2011; Del Carmen et al., 2000) desarrollan ciertas ideas que permiten identificar a qué llamamos actividades prácticas de laboratorio:

• Las realizan los alumnos con un grado variable de participación en su diseño y ejecución.

• Implican el uso de procedimientos científicos de diferentes características (observación, formulación de hipótesis, realización de experimentos, técnicas manipulativas, elaboración de conclusiones, entre otros) con diferentes grados de aproximación con relación al nivel de los alumnos.

• Requieren del uso de un material específico, semejante al utilizado por los científicos, aunque a veces simplificado para facilitar su uso por los alumnos.

• Con frecuencia se realizan en un ambiente diferente al del aula, como por ejemplo el laboratorio o el campo, aunque también pueden llevarse a cabo en el aula.

• Presentan algunos riesgos debido a la manipulación de instrumentos.

• Son actividades más complejas de organizar que las de lápiz y papel

Otros autores (Carrascosa et al., 2006) enumeran algunos requisitos que deben reunir estas actividades:

1. Presentar situaciones problemáticas abiertas adecuadas al nivel de los estudiantes

2. Favorecer la reflexión de los estudiantes, incluyendo las implicancias entre ciencia, tecnología, sociedad y ambiente (CTSA)

3. Potenciar los análisis cualitativos y formular preguntas sobre lo que se busca.

4. Plantear la emisión de hipótesis como actividad central de la investigación científica.

5. Conceder importancia a la elaboración de diseños y a la planificación de la actividad experimental por los propios estudiantes.

6. Plantear el análisis detenido de los resultados a la luz del cuerpo de conocimientos disponible.

7. Contemplar las implicaciones CTSA del estudio realizado

8. Dar importancia a la elaboración de informes científicos y resaltar el papel de la comunicación científica

9. Fomentar la dimensión colectiva del trabajo científico organizando equipos de trabajo

Otros (Del Carmen, 2011) señalan la importancia de este tipo de actividades:

• Desempeñan un papel fundamental en el incremento de la motivación hacia las ciencias experimentales.

• Son una ayuda inestimable para avanzar en la comprensión de los planteamientos teóricos de la ciencia y el desarrollo del razonamiento científico

• Facilitan la comprensión de cómo se elabora el conocimiento científico y de su significado.

• Son insustituibles para la enseñanza y el aprendizaje de procedimientos científicos y con las actitudes hacia la ciencia (curiosidad, confianza en los recursos propios, apertura hacia los demás, etc.).

No obstante, el tiempo dedicado a las actividades prácticas en la enseñanza de las ciencias naturales suele ser reducido (Nieda, 1994). Ello puede explicarse por diferentes motivos: excesivo número de alumnos, ausencia de instalaciones adecuadas o instrumentos específicos, o escasa formación docente (Fernández-Marchesi, Marcangeli y Romero, 2011). Sanmartí Puig (2002) también señala que muchos docentes opinan que la función de las actividades prácticas en el aprendizaje de conceptos no es esencial, o que el principal valor que se les da a estas actividades prácticas es el aumento en la motivación del alumnado, lo que lógicamente también se puede conseguir mediante otras estrategias.

Además de los motivos sistematizados en la literatura, surgen otros de tipo más subjetivo, ya que la realización de APL exige a los docentes dedicar tiempo para su preparación y afrontar y solucionar problemas que puedan presentarse en su aplicación. Esto requiere unas dosis altas de motivación por parte del profesorado, y un estímulo y apoyo de parte de la institución educativa (Del Carmen, 2011).

Muchos estudios muestran que las APL presentan distintos déficits. Hodson (1994) fue uno de los primeros que los recogió de forma sistemática y señaló que:

• Las actividades se desarrollan sin base teórica.

• El contenido lo promueve el profesor, lo que limita la construcción personal de los significados por parte de los alumnos.

• Los estudiantes muchas veces son meros consumidores de planificaciones realizadas por el profesor.

• Los estudiantes a menudo no se apropian de la teoría adecuada para interpretar lo que observan, o solo realizan interpretaciones erróneas a la luz de concepciones erróneas.

Este autor plantea además serias reservas en cuanto a la eficacia de los trabajos prácticos de laboratorio como se presentan usualmente en las clases de ciencias. Afirma que sería de mucha utilidad redefinir la noción de actividad práctica de laboratorio para incluir una variedad mayor de estrategias, que posibilitara contemplar una mayor variedad de objetivos teniendo en cuenta las distinciones entre:

• Aprender ciencia: adquirir el conocimiento conceptual y teórico.

• Aprender sobre la ciencia: desarrollar una comprensión sobre la naturaleza de los métodos de la ciencia y una percepción de las complejas interacciones entre ciencia, tecnología, sociedad y ambiente (CTSA).

• Hacer ciencia: desarrollar habilidades en la investigación científica y la resolución de problemas.

Objetivos de las actividades prácticas de laboratorio

Con relación a los objetivos que persiguen las apl, numerosos autores (Caamaño, 2004, 2007; Leite y Figueiroa, 2004; Martins et al., 2007; Sanmartí Puig, 2002) han realizado diversas categorizaciones y/o clasificaciones.

Por un lado, Sanmartí Puig (2002) clasifica las APL por:

1. Tipo de preguntas o problemas planteados:

1. orientados a aprender procedimientos o técnicas

2. orientados a la observación sistémica de objetos, organismos o fenómenos

3. de tipo inductivo, en los que se solicita detectar regularidades o inferir relaciones entre variables.

4. de tipo deductivo, en los que se solicita que utilicen razonamientos deductivos para relacionar ideas generales o teorías con el fenómeno observado.

5. hipotético-deductivos, en los que se solicita identificar y combinar variables para comprobar una hipótesis.

2. El grado de apertura

1. Nivel cero: Se le da al estudiante la pregunta, el método y los resultados.

2. Nivel uno: Se dan todos los apartados menos los resultados.

3. Nivel dos: se da solo la pregunta.

4. Nivel tres: se indica un fenómeno o una situación y a partir de ello debe formularse la pregunta, proponer el método, obtener resultados y deducir conclusiones.

Caamaño (2004, 2007), por otra parte, propone cuatro tipos de actividades prácticas: experiencias, experimentos ilustrativos, ejercicios prácticos e investigaciones.

• Las experiencias son actividades prácticas destinadas a obtener una familiarización perceptiva con los fenómenos.

• Los experimentos ilustrativos son actividades destinadas a interpretar un fenómeno, ilustrar un principio o mostrar una relación entre variables. Pueden constituir una aproximación cualitativa o cuantitativa al fenómeno. En el caso de ser realizadas únicamente por el profesor se acostumbran a denominar "demostraciones".

• Los ejercicios prácticos son actividades diseñadas para aprender determinados procedimientos o destrezas, o para realizar experimentos cuantitativos que ilustren o corroboren la teoría.

• Las investigaciones son actividades encaminadas a resolver un problema teórico o práctico mediante el diseño y la realización de un experimento y la evaluación del resultado.

Leite y Figueiroa (2004), a su vez, le aportan algunas diferencias a la clasificación propuesta por Aureli Caamaño (2004) y proponen la siguiente:

1. Aprendizaje de conocimiento procedimental

1. Ejercicios: Apuntan al desarrollo de destrezas (observación, medición, manipulación) y permiten el aprendizaje de técnicas de laboratorio. Requieren una descripción detallada del procedimiento y los más complejos pueden exigir una demostración.

2. Aprendizaje de conocimiento conceptual

a. Refuerzo de conocimiento conceptual

• Actividades para familiarizarse con los fenómenos: se basan en los sentidos y dan al alumno la oportunidad de oler, sentir, oír. No introducen ningún concepto nuevo, pero dan una noción del concepto o principio en cuestión.

• Actividades ilustrativas: confirman que el conocimiento presentado es verdadero. Se basan en la ejecución de un protocolo tipo receta, estructurado con el fin de conducir el resultado previamente conocido por los alumnos.

b. Construcción de conocimiento conceptual

• Actividades orientadas hacia la determinación de lo que ocurre: conducen la construcción de conocimientos nuevos mediante la implementación de una actividad detalladamente descrita en un protocolo que lleva a los alumnos a la obtención del resultado que se pretende y que ellos desconocían inicialmente.

• Investigaciones: conducen a la construcción de nuevos conocimientos conceptuales gracias a un procedimiento de resolución de problemas. Los alumnos tienen que encontrar una estrategia para resolver el problema, ponerla en práctica y además evaluarla y reformularla en caso necesario, integrando los anteriores tipos de actividades.

c. Reconstrucción de conocimiento conceptual

• Prevé-observa-explica-reflexiona (procedimiento presentado): promueve la reconstrucción de conocimiento de los alumnos empezando por confrontarlos con una cuestión que permite hacerlos conscientes de sus ideas previas para luego confrontarlas con los datos empíricos que permitan apoyarlas o debilitarlas. Existe un protocolo cuya implementación permite obtener los datos necesarios.

• Prevé-observa-explica-reflexiona (procedimiento por definir): promueve la reconstrucción de conocimiento de los alumnos empezando por confrontarlos con una cuestión que permite hacerles conscientes de sus ideas previas para luego confrontarlas con los datos empíricos que permitan apoyarlas o debilitarlas. Los alumnos tienen que encontrar una estrategia para poner a prueba sus ideas.

3. Aprendizaje de metodología científica

1. Investigaciones: dado que no están apoyadas por protocolos, las investigaciones permiten a los alumnos, además de la construcción de conocimientos conceptuales nuevos, el desarrollo de competencias de resolución de problemas y de la comprensión de los procesos de la ciencia y de la naturaleza.

Martins et al. (2007) citando a Leite (2001) proponen las siguientes denominaciones:

• Trabajo laboratorial (TL): se define como un conjunto de actividades que surge en el laboratorio, con equipos propios o con estos mismos equipos en otro lugar si eso no implica riesgo para la salud o seguridad.

• Trabajo práctico (TP): se aplica a todas las situaciones en las que el alumno participa activamente en la realización de una tarea que puede ser o no del tipo de laboratorio.

• Trabajo experimental (TE): se aplica a actividades prácticas donde hay manipulación de variables.

La figura 1 ilustra la relación entre los tres tipos de actividades:

Figura 1: Tipos de trabajos prácticos según Martins et al. (2007)

En la zona (1) se encuentra el trabajo práctico que no es del tipo de laboratorio, ni del experimental (colección de hojas de árboles y arbustos para su posterior clasificación).

En la zona (2) surge el trabajo práctico de laboratorio que no es del tipo experimental (el aprendizaje de técnicas de laboratorio, filtración, una preparación para la observación con el microscopio).

En la zona (3) se encuentra el trabajo práctico experimental que no es del tipo laboratorial y, por lo tanto, no utiliza aparatos o instalaciones de laboratorio (experimentos sobre los factores que afectan el crecimiento de plantas en entornos naturales).

En la zona (4) se encuentran los trabajos prácticos de laboratorio experimentales, que operan con distintos grados de apertura para que los estudiantes encuentren respuestas a pregunta de investigación (Martins et al., 2007).

La indagación científica como enfoque propicio en el desarrollo de las APL

La indagación científica hace referencia a las diferentes formas en las que los científicos estudian el mundo natural y proponen explicaciones basadas en la evidencia derivada de su trabajo.

La indagación se refiere también a las actividades de los alumnos en las cuales desarrollan conocimiento y comprensión de las ideas científicas, así como el entendimiento de la forma en que los científicos estudian el mundo natural. Es el proceso intencional de diagnóstico de problemas, la crítica de los experimentos y distinción de alternativas, la planificación de las investigaciones, la investigación de conjeturas, la búsqueda de información, la construcción de modelos, el debate con los compañeros y la formación de argumentos coherentes (Linn, Davis y Bell, 2004). Esta definición caracteriza de forma amplia los componentes de la indagación, incluyendo la naturaleza y las capacidades para hacer indagación y la forma en que los científicos trabajan en el desarrollo del conocimiento científico

La indagación es un proceso intencional de diagnóstico de problemas, crítica de experimentos y distinción de alternativas, planificación de investigaciones, investigación de conjeturas, búsqueda de información, construcción de modelos, debate con compañeros y construcción de argumentos coherentes.

La mayoría de los autores, entre ellos Cortés Gracia y de la Gándara Gómez (2006) y Garritz (2010), señalan que el término indagación es una palabra polisémica y de moda en didáctica de las ciencias naturales y han enumerado las habilidades que es posible movilizar mediante la indagación científica.

Khan (2007) menciona que las actividades básicas de la indagación son: identificar un problema y reunir información; hacer predicciones; dar sentido a las observaciones y buscar patrones en la información; usar analogías e intuición para conceptualizar los fenómenos; analizar y representar datos; postular factores causales potenciales; trabajar con las pruebas para desarrollar y revisar las explicaciones; generar relaciones hipotéticas entre las variables; evaluar la consistencia empírica de la información; formular y manipular modelos mentales o físicos (modelado); coordinar los modelos teóricos con la información, y compartir lo que se ha aprendido durante la indagación con otras personas.

En un resumen de todas las actividades mencionadas por la literatura (Espinosa Bueno, Garritz Ruiz, Labastida Piña y Padilla, 2010; Espinosa Bueno, Labastida Piña, Padilla, y Garritz Ruiz, 2011; Garritz Ruiz, Labastida Piña, Padilla y Espinosa Bueno, 2009) las actividades que se llevan a cabo durante la indagación en el aula o el laboratorio serían:

1. Identificar y plantear preguntas que se puedan responder mediante la indagación.

2. Definir y analizar bien el problema por resolver e identificar sus aspectos relevantes.

3. Reunir información bibliográfica para que sirva de evidencia.

4. Formular explicaciones al problema planteado, a partir de la evidencia.

5. Plantear problemas de la vida cotidiana y tocar aspectos históricos relevantes.

6. Diseñar y conducir trabajo de investigación a través de diversas acciones:

1. Generar relaciones hipotéticas y pruebas entre las variables

2. Postular factores causales potenciales.

3. Evaluar la consistencia empírica de la información.

4. Hacer uso de analogías o de la intuición para ayudar a conceptualizar los fenómenos.

5. Formular y manipular modelos físicos y mentales.

6. Utilizar herramientas apropiadas y técnicas para reunir, analizar e interpretar datos.

7. Pensar crítica y lógicamente para desarrollar predicciones, explicaciones y modelos empleando las pruebas.

8. Coordinar los modelos teóricos con la información.

9. Evaluar las explicaciones alcanzadas, con algún modelo científico.

10. Comunicar hechos y procedimientos científicos en la clase

7. Compartir con otros mediante argumentación lo que se ha aprendido a través de la indagación.

La propuesta del modelo resolución de problemas como investigación

Algunos autores (Martínez-Aznar e Ibáñez Orcajo, 2005, 2006; Pavón Martínez y Martínez-Aznar, 2014; Rodríguez-Arteche y Martínez-Aznar, 201 6a, 201 6b) proponen como estrategia de indagación en el aula la metodología de resolución de problemas como investigación (MRPI) (Gil Pérez y Martínez Torregosa, 1983; Martínez Torregosa, 1994 y Ramírez Castro, Gil Pérez). Se fundamenta en la comparación entre cómo resuelven los científicos las situaciones problemáticas que se les presentan en sus investigaciones y el procedimiento que se debe utilizar en las clases de ciencias para que los estudiantes aprendan a resolver sus problemas escolares, favoreciendo así su formación (Martínez-Aznar y Varela Nieto, 2009).

La MRPI se incluye dentro de la indagación ya que los estudiantes trabajan en grupos cooperativos, se enfrentan a situaciones abiertas contextualizadas que deben reformular y definir con precisión, tienen que identificar lo que saben y lo que necesitan conocer, enunciar y contrastar soluciones alternativas y decidir cómo proceder para llegar a una posible solución.

Esta metodología trabaja con problemas abiertos, sin datos y sin solución evidente (situaciones problemáticas o problemas verdaderos). Propone un modelo de resolución que aporta una visión actualizada de la ciencia y pone al alumno en situación de aprendizaje parecida a la de un científico novel (Martínez-Aznar e Ibáñez Orcajo, 2006).

El modelo propuesto está constituido por cinco etapas (véase la tabla 1).

Tabla 1: Etapas de la MRPI

Fuente: adaptado de Martínez Aznar y Varela Nieto, (2009).