Aprendizaje de propiedades elementales de la materia: volumen, masa y densidad, en estudiantes de ESO.

Abstract

En este trabajo se pretende realizar una aportación a la Didáctica de las Ciencias Experimentales, mediante el diseño, implementación y evaluación de una propuesta de enseñanza que ayude al alumnado de secundaria obligatoria a asimilar los conceptos básicos volumen, masa y densidad tratados en esta etapa. Con este objetivo, la investigación se estructura en tres estudios relativos a la enseñanza fundamentada de dichos conceptos: análisis de las concepciones alternativas, análisis de los libros de texto; y elaboración, aplicación y evaluación de una propuesta de enseñanza. Los instrumentos de análisis, para cada estudio, se indican en las líneas siguientes: Para el análisis de las concepciones alternativas de alumnos en el primer estudio (Muestra 1): cuestionarios de respuestas abiertas. Para el análisis de los libros de texto: protocolos/plantilla de presencia- ausencia. Para la investigación de la propuesta de enseñanza implementada (Muestra 2): cuestionarios inicial y final de respuestas abiertas (prestest y postest) estructurado en cinco aspectos fundamentales, relacionados con el volumen, la masa y la densidad; hojas de resultados con la respuesta de los estudiantes a las actividades de la unidad; y, diario e informe final del profesor. Los resultados sobre concepciones alternativas, indican que el alumnado que finaliza tercero de ESO, presenta dificultades en la explicación de los fenómenos planteados. Entre estas dificultades: la asociación de cambios de forma con cambios de volumen, la influencia del peso o la profundidad de inmersión en el volumen desalojado de líquido cuando se sumerge totalmente un sólido en él, la ausencia de masa en gases o la confusión entre densidad y viscosidad; destacan por ser las más arraigadas. Además, es de señalar que, la mayoría de los estudiantes de la muestra estudiada, no son capaces de estimar valores aproximados de masa o volumen de objetos frecuentes en su vida diaria. Tampoco consideran la densidad como una propiedad que sirva para diferenciar unas sustancias de otras, y solo unos pocos consideran que la densidad no depende de la cantidad de sustancia. Utilizan mejor la interpretación adecuada de la flotación cuando se trata comparar lo ocurrido con un mismo sólido en diferentes líquidos, que cuando la situación contempla varios sólidos en un mismo líquido. Estas circunstancias revelan las carencias en la estrategia de enseñanza utilizada para el tratamiento de estos contenidos. En el análisis de los textos de ESO se buscó la presencia o ausencia de elementos que pudieran tener relación con las concepciones alternativas mencionadas, llevando a cabo una comparativa entre los publicados según la ley anterior (LOE) y los que se rigen por la legislación actual (LOMCE). En general, los libros introducen la densidad como una fórmula matemática sin una presentación cualitativa previa de su significado. Aunque aparecen ejemplos de valores de densidades de sustancias (habiendo pocos casos de gases), no incluyen ejemplos de materiales de posible interés como el grafeno. De forma gráfica, solo una minoría de los libros analizados resalta el contraste entre los valores de densidades de sustancias sólidas, mejorando este tratamiento los libros de la nueva ley. No se abordan las concepciones alternativas relativas a que el agua desalojada por un sólido en completa inmersión no depende del peso del sólido ni de la profundidad a la que se sumerja. Pero suelen reproducir el mismo ejemplo de la “medida del volumen de una piedra inmersa en agua”, bajo la falsa premisa de que los alumnos carecen de ideas previas inadecuadas al respecto. En la separación de sustancias por decantación, aparece sistemáticamente el caso del agua y aceite. Pero no se aprovecha para mostrar otros ejemplos, como la decantación en la depuración del agua o en la fabricación de aceites esenciales. La propuesta de ejemplos de flotación sólidos en líquidos ha mejorado en algunas editoriales al pasar de una ley a la siguiente. Pero aspectos como la flotabilidad variable de un objeto en un mismo líquido, no se discute en ninguno de los libros analizados. Por último, la propuesta de enseñanza está fundamentada en la metodología por investigación dirigida y aplicada a alumnado de tercer curso de ESO. Consiste en un programa de actividades (23, de tipo experimental, en siete sesiones) que sigue una secuencia construida con el objetivo de ir paliando las dificultades que se han anticipado en los estudios anteriores. La metodología, de forma general, consiste en comenzar con una situación problemática de interés a partir de la cual los estudiantes emiten hipótesis de partida. A continuación deben pensar en algún método que les lleve a la comprobación de estas hipótesis, obteniendo datos y emitiendo conclusiones. La función del profesor es servir de guía en el proceso de aprendizaje. Los participantes fueron los alumnos (de dos grupos homogéneos) del autor de la investigación. Tras el desarrollo y análisis de la propuesta, los resultados revelan, en primer lugar, una mejora significativa entre las respuestas del pretest y las del postest. Entre ellas, la asimilación de que el volumen de líquido que desaloja un sólido al sumergirse totalmente en él depende del volumen de este, la utilización de la densidad para la identificación de sustancias, la diferenciación entre densidad y viscosidad o la asimilación de que el estado gaseoso presenta las mismas propiedades que los otros estados. Del mismo modo, observamos una adaptación progresiva a la metodología de enseñanza propuesta y una mayor autonomía en el desarrollo del trabajo experimental. Esta evolución se da, sobre todo, en aquellos procedimientos relacionados con la identificación del problema propuesto, la formulación de predicciones e hipótesis y el establecimiento de conclusiones. Si bien, detectamos cierta intermitencia en la medición de magnitudes, recogida de datos y utilización de las técnicas básicas de laboratorio, según las sesiones y actividades, aspectos que consideramos necesario seguir trabajando. Por último, advertimos también una mejora en la actitud de aprendizaje ante las ciencias. No obstante, se ha detectado la necesidad de ampliar el número de ejemplos donde aplicar los conocimientos, para garantizar la superación de algunas concepciones alternativas más arraigadas y que esto se haga extensivo a una mayoría de alumnos.

This research expects to contribute to Science Education by designing, implementing and assessing a teaching proposal that will help the ESO (compulsory secondary education) students to assimilate the basic concepts of volume, mass and density, addressed at this stage. With this aim, the research is structured in three studies related to the teaching of such concepts: analysis of alternative conceptions, analysis of textbooks; and production, implementation and evaluation of a teaching proposal. The instruments of analysis used for each study, are indicated in the following lines: Open-answer questionnaires, for the first study (Sample 1). Presence-absence protocols/template, for the analysis of textbooks: Initial and final open-answer questionnaires, structured in five fundamental aspects, related to volume, mass and density; result sheets with the students' answers to the activities from the unit; and, diary and final report of the teacher, for the investigation of the implemented teaching proposal (Sample 2). The results about alternative conceptions indicate that students who finish the third year of ESO, present difficulties in explaining the suggested phenomena. Some of these difficulties are: the association between shape changes and volume changes, the influence of weight or immersion depth on the volume of displaced liquid when a solid is totally immersed in it, the absence of mass in gases or the confusion between density and viscosity; they stand out for being the most unshakable. In addition, it is noteworthy that most of the students in the sample studied are not able to estimate approximate values of mass or volume of common objects in their daily life. Nor do they consider density as a property that serves to differentiate substances from others, and only a few consider that density does not depend on the amount of substance. They use the proper interpretation of flotation better when comparing what happened with the same solid in different liquids, than when the situation contemplates several solids in the same liquid. These circumstances reveal the shortcomings in the teaching strategy used for the treatment of these contents In the analysis of the texts from ESO, we searched for the presence or absence of elements that could be related to the mentioned alternative conceptions, comparing those published according to the previous law (LOE) and those that are governed by the current legislation (LOMCE). In general, books introduce density as a mathematical formula without a prior qualitative introduction to its meaning. Although there are some examples of values of substance densities (with few cases of gases), they do not include examples of materials of possible interest such as graphene. Graphically, only a minority of the analyzed books highlight the contrast between the values of densities of solid substances. The books for the new law are better in this aspect. They do not tackle alternative conceptions related to the fact that the water displaced by a solid in complete immersion does not depend on the weight of the solid or the depth to which it is immersed. But they often reproduce the same example, the "measure of the volume of a stone immersed in water", under the false premise that the students lack previous inadequate ideas about it. In the separation of substances by decantation, the example of water and oil appears systematically. But it is not used to show other examples as the decanting in the purification of the water or the manufacturing of essential oils. The proposal for examples of buoyancy of solids in liquids has improved in some books by certain publishers when moving from one law to the next one. But aspects such as the variable buoyancy of an object in the same liquid are not discussed in any of the books analyzed. Finally, the teaching proposal is based on the directed research methodology and applied to students from the third year of ESO. It consists of a program of activities (23, of experimental type, in seven sessions), that follows a sequence based on the idea of palliating the difficulties that have been anticipated in previous studies. The methodology, in general, consists in starting with a problematic situation of interest from which the students give initial hypotheses. Then, they must think of some method that leads them to check these hypotheses, obtaining data and conclusions. The role of the teacher is to guide the learning process. The participants were the students (of two homogeneous groups) of the researcher. After the development and the analysis of the proposal, the results reveal, first, a significant improvement between pre-test and pos-test responses. This includes the assimilation that the volume of liquid displaced by a solid completely submerged in it depends on its volume, the use of density for the identification of substances, the differentiation between density and viscosity or the assimilation that the gaseous state has the same properties as the other states. Likewise, we observe a progressive adaptation to the proposed teaching methodology and a greater autonomy in the development of experimental work. This development occurs mainly in those procedures related to the identification of the proposed problem, the formulation of predictions and hypotheses and the establishment of conclusions. However, we detect some intermittence in the measurement of magnitudes, collection of data and use of basic laboratory techniques, according to the sessions and activities, aspects in which we consider necessary to continue working. Finally, we also notice an improvement in the attitude towards the learning of science. However, there has been a need to expand the number of examples in which to apply knowledge, to ensure that some of the more deeply rooted alternative conceptions are overcome and that this is extended to a majority of students.