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Para hacer frente a los estos retos, al final del siglo XX, se realizaron acuerdos globales para garantizar la sostenibilidad de la vida (humana y no humana). La ciencia y la educación aportaron al diseño de propuestas de cambios socioambientales. Ejemplos de lo anterior son la agenda 21 y agenda 21 escolar, los objetivos del millenium y los objetivos del desarrollo sostenible. Precisamente, los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) son parte de un Protocolo Internacional de la Asamblea General de las Naciones Unidas (ONU) firmado en 2015, en los cuales los países se comprometen a implementar la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. Se pone ahí de relieve que sus dimensiones abarcan cuestiones ambientales, sociales y económicas, incidiendo en diversos sectores de la sociedad.
El objetivo del Desarrollo Sostenible - ODS 4: Educación de calidad prevé “garantizar una educación inclusiva, equitativa y de calidad, y promover oportunidades de aprendizaje permanente para todos”. La educación de calidad está planteada en estos acuerdos globales, y está presente en las políticas públicas de los países los que han generado a su vez agendas, y pactos locales y nacionales para los procesos educativos.
La Educación en Ciencias es considerada aquí a partir de su función social y como clave para cambiar actitudes, valores y conocimientos frente a los desafíos del mundo contemporáneo. En el área de investigación en Didáctica de las Ciencias, está presente la discusión sobre los problemas asociados a la alfabetización científica para la toma de decisiones en el mundo contemporáneo. Más aún, en qué medida los sistemas globales de evaluaciones como PISA informan y reconocen las variaciones entre contextos, competencias y conocimientos sobre ciencia (Bybee, McCrae y Laurie, 2009). Actualmente la discusión se da vinculando/reflexionando sobre cuáles son los sentidos de las evaluaciones globales y las condiciones estructurales e inversiones en el desarrollo científico y tecnológico de cada país. Voces más críticas cuestionan la globalización y unificación de las competencias deseables, que generan la exclusión de saberes locales y descalifican la diversidad.
Otros horizontes de discusión caracterizan retos en la formación docente para enseñar ciencias a partir de tensiones entre la formación profesional docente y la formación centrada en la disciplina. En la investigación sobre el alumnado, los procesos de investigación se mueven del ámbito psicológico-cognitivo y pasan a niveles socioculturales y situados que dan voz a los estudiantes, y se discute su posición de subordinación. Cuando enfocamos la mirada en los desafíos para la Educación en Ciencias en Latinoamérica, identificamos tensiones entre las relaciones global y local respecto de las estructuras y procesos educativos, las influencias de discursos globales, como el del banco Mundial, la OMS, las evaluaciones PISA, TIMSS y otros. A su vez, su influencia en el desarrollo de políticas locales que a veces direccionan y limitan en cada país la investigación en Educación en Ciencias, pero también las prácticas como el desarrollo curricular, las actividades de aula y la formación de profesores de ciencias (García-Martínez, et. al., 2018; Mejía-Cárceres, 2019).
Con la influencia de la pedagogía crítica de Paulo Freire (1981) y Henry Giroux (1997, 2003), el pensamiento latinoamericano en Ciencia, Tecnología y Sociedad se sesga y en latinoamérica se argumenta que las investigaciones deben dar voz a los actores partícipes en los problemas “históricamente olvidados” (Auler y Delizoicov, 2015). Algunas preguntas que surgen son:
¿De qué ciencia hablamos?
¿Desde qué perspectivas situamos las cuestiones socioambientales?
¿Cómo organizamos nuestros currículos y secuencias didácticas?
¿Cuál es el rol de la ciencia y tecnología en la contemporaneidad?
¿Cuál es el papel de la enseñanza de las ciencias?
Acceder y reflexionar sobre estos cuestionamientos implica lo que Sousa Santos (2010) califica como el pasar de la sociología de las ausencias a la sociología de las emergencias. Así, se considera entre otros apectos, el reto de transformar “la ciencia moderna y de la alta cultura en criterios únicos de verdad y de cualidad estética” (Sousa Santos, 2010, 22p.), en un movimiento que se manifesta a partir de nuevos procesos de producción y de valoración de conocimientos válidos, científicos y no científicos y en diálogo con diferentes grupos sociales, expertos y no expertos.
Por ende, en el presente texto argumentamos que la educación científica, o educación en ciencias, tiene una responsabilidad de acceder a esas miradas amplias en un proceso que vincula teoría y práctica en el proceso de investigación. Además, analizar el medio de enseñanza en Chile posibilita traer los contextos de la práctica para comprender y avanzar en los caminos de la investigación en la enseñanza, permitiendo la construcción de nuevos aportes desde la producción de conocimientos. Además, señalar algunos cuestionamientos con potencial de generar una agenda de investigación o encuadre metodológico que pueden colaborar a la caracterización de límites conceptuales/metodológicos en las investigaciones en enseñanza de las ciencias, de modo a superar los límites del presente.
2. La investigación en Educación en Ciencias como campo prioritario de desarrollo, su impacto en la sociedad y en sus políticas educativas
La investigación es una actividad profesional a la que muchos expertos se dedican, con el fin de profundizar en el conocimiento de su campo disciplinar, y esto no es ajeno a la Educación en Ciencias, en donde cada vez hay mejores grupos de investigación que tienen como objeto de estudio la generación de conocimiento en torno a caracterizar y mejorar la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias en la escuela.
La investigación en educación en ciencias es una línea de desarrollo de gran relevancia para una sociedad, en la medida en que aporta a mejorar los procesos de formación de la ciudadanía y, por ende, a generar un mayor desarrollo científico y tecnológico de un país.
En este contexto, se generan ciertos interrogantes para que esto se pueda lograr, los cuales son el eje de desarrollo de este apartado; entre estos están, el para qué investigar en Educación en Ciencias, qué se investiga en Educación en Ciencias, qué impacto en la sociedad y en las políticas públicas tiene esta investigación generada en el campo de la Educación en Ciencias.
2.1 ¿Para qué investigar en Educación en Ciencias?
El desarrollo científico y tecnológico de un país es de vital importancia para mejorar las condiciones de vida de su ciudadanía, proporcionando mejores condiciones y recursos para el cuidado de la salud, el mejoramiento de la vivienda, de la formación en la escuela, un bienestar en familia a través de espacios de formación cultural, deportiva y recreativa, entre otros. Esto implica el optimizar los recursos naturales y artificiales, usándolos y cuidándolos de una manera responsable, generando una conciencia de preservación permanente del ambiente, y la generación de un desarrollo adecuado de la sociedad sin dañar el medio que nos rodea.
Este desarrollo científico y tecnológico solo se puede generar con una Educación en Ciencias adecuada para todos los ciudadanos, la cual se irá especializando, en la medida en que los estudiantes se inclinen hacia ella y deseen estudiarla en profundidad en la universidad. Pero lo que se ha visto en los últimos años, es una disminución del número de jóvenes que escogen las carreras de ciencias como opción de formación y de aporte a la sociedad. En estos momentos, se genera un mayor desarrollo científico y tecnológico dados los problemas sociales, ambientales, de salud pública, y necesidades alimentarias que se tiene en la sociedad actual, entre muchas otras problemáticas básicas de una sociedad. En este sentido, es de vital importancia que se mejoren las condiciones para que los jóvenes vean en la formación en ciencias una oportunidad y una necesidad de aportar al mejoramiento de la sociedad. En esta línea, se requiere de una política clara y bien definida que promueva la formación en ciencias y la investigación en ciencia y tecnología, creando mayores rubros para el desarrollo de investigaciones en campos prioritarios que cubran satisfactoriamente las necesidades de la sociedad actual.
Sin embargo, pensar en investigación en Educación en Ciencias, no solo se centra en aquellos que desean estudiarla en la universidad como profesión, sino que está dirigida a los ciudadanos en general que deben formarse en ciencias; desde la educación infantil, la primaria y la secundaria, de tal manera que les permita ser ciudadanos cultos, científicamente hablando. Además cuando hablamos de formarse en ciencias en la escuela, no nos estamos refiriendo solo a los contenidos propios de las ciencias naturales (Física, Química, Geología y Biología) que son importantes; hacemos referencia también, que al estudiar ciencias se van desarrollando competencias que les permite a estos niños y jóvenes desarrollar un pensamiento científico y tecnológico (García-Martínez y Pinilla, 2007), lo cual puede lograrse a través varios medios, por ejemplo, como lo menciona Osborne (2014) a través del desarrollo de diferentes tipos de prácticas científicas para aprender ciencias.
Este desarrollo de competencias en ciencias, que debe generarse en la escuela, implica que se investigue en profundidad la educación en ciencias, desde diferentes líneas de acción. Una primera línea, parte de la definición y delimitación de qué competencias desarrollar, cuáles son las más pertinentes, cómo priorizarlas y secuenciarlas, y en qué niveles de formación hacerlo (Educación infantil, primaria o secundaria). De esta manera, estamos pensando en qué aprendizajes son los pertinentes y necesarios desarrollar en los niños y jóvenes, y así poder planificar el proceso de desarrollo de competencias durante varios años, generándose un sistema planificado y evolutivo.
Una segunda línea, está relacionada con cómo desarrollar esos aprendizajes en el aula a partir de las competencias previstas y delimitadas, lo cual centra la atención en los procesos didácticos que desarrolla el profesorado. En este sentido, es necesario construir estrategias didácticas y material didáctico mejor estructurados que contemplen los contextos y necesidades de los estudiantes para generar mejores aprendizajes y más duraderos en el tiempo; que contemplen la diversidad en la escuela y que sean accesibles a todos los estudiantes.
Una tercera línea, centra la atención en cómo evaluar el desarrollo de las competencias, qué tipo de estrategias e instrumentos son los más pertinentes de ser empleados para hacer el seguimiento de dicho desarrollo. Qué tipo de proceso es el más adecuado para hacer el proceso de acompañamiento de esos aprendizajes, a través de la regulación permanente que hace el profesor, en pro del desarrollo de la autorregulación en los estudiantes.
Todo lo anterior, se soporta en una cuarta línea, la cual tiene que ver con la formación del profesorado, y está dada por las disciplinas que deben tenerse en cuenta para que el profesorado pueda abordar cada una de las líneas anteriores con calidad y eficiencia. Entre las metadisciplinas están la Didáctica de las Ciencias, Historia de las ciencias y filosofía de las Ciencias, y desde las disciplinas están la psicología cognitiva, sociología, pedagogía, entre otras (Izquierdo, García-Martínez, Quintanilla, y Adúriz-Bravo, 2016).
De esta manera, se observa la necesidad de investigar en educación en ciencias para identificar qué se desea desarrollar en la niñez y juventud dependiendo de la política de desarrollo científico y tecnológico del país. Esto permitirá identificar los procesos de formación para lograr dichos aprendizajes y los requerimientos para hacerlo, así como la realización de un proceso evaluativo adecuado y confiable. Se resalta como eje central de todo este sistema, la formación de profesores, la cual va a garantizar que se puedan desarrollar los puntos anteriores con buena fundamentación desde la ciencia del profesor de ciencias, es decir, la Didáctica de las Ciencias.
2.2 ¿Qué se investiga en Educación en Ciencias?
En este momento, hablar de unos campos, limitados y bien delimitados, de investigación en Educación en ciencias es complejo en razón a varios factores, entre los que se destacan, las perspectivas teóricas que se asumen desde los grupos de investigación, las necesidades y prioridades de las regiones en donde se realice, la población con la que se desarrolla, por mencionar algunas limitantes. Sin embargo, presentaremos una síntesis de algunas líneas que más se han desarrollado y otras que tendrán gran importancia en la Educación en Ciencias en Chile.
Partiendo de los interrogantes planteados, nos ubicamos en la necesidad de desarrollar competencias que fortalezcan el pensamiento científico de nuestra niñez y juventud (García-Martínez y Pinilla, 2007), y que se vayan formando como ciudadanos científicamente cultos, de tal manera que, al momento de tomar decisiones, lo hagan a partir de la formación recibida, bien fundamentadas y responsables, no solo con ellos mismos sino respetando al “otro” (su vecino, conciudadano, el ambiente y los otros seres vivos). Se busca que el ciudadano culto reconozca al “otro” como parte vital para el desarrollo de una convivencia en armonía desde la equidad.
Hablamos del desarrollo de competencias para generar un pensamiento científico y tecnológico responsable, desde diferentes líneas de acción; por ejemplo:
1 A partir del desarrollo de una comunicación asertiva, lo cual puede generarse al desarrollar diferentes habilidades cognitivo lingüísticas, tales como la argumentación y la explicación, que son vitales para las ciencias naturales (Sánchez, González y García-Martínez, 2013; Osborne, 2014).
2 A partir del desarrollo de procesos de Modelización, en la medida en que los estudiantes mejoran su capacidad de pensar con teorías científicas para explicar el mundo en el cual están inmersos (Upmeier, Krüger, y van Driel, 2019).
3 Mediante la generación de una actitud de trabajo colaborativo y en comunidad, reconociendo al otro, y respetando la diversidad de puntos de vista.
4 A través del desarrollo de una conciencia frente al medio y al impacto de nuestras acciones sobre él.
5 Al desarrollo de la práctica en ciencia y tecnología de manera responsable con nuestros recursos, fortaleciendo el diseño y puesta en ejecución de modelos de diferente tipo (Osborne, 2014).
6 A través de la formulación de preguntas (Osborne, 2014), ya que es una tarea esencial para la formación en ciencias. Formular preguntas es indispensable para reconocer el contexto en el que se está trabajando, es imaginarse hacia dónde se puede ir, contribuye a desarrollar el pensamiento hipotético deductivo, ya que ayuda a prever situaciones y posibles rutas.
7 Diseñando, planeando y desarrollando pequeños procesos investigativos en el aula (Osborne, 2014) con la orientación del profesor.
8 Analizando e interpretando datos (Osborne, 2014) son procesos de gran relevancia en la medida en que ayudan a los estudiantes a comprender qué medios o instrumentos son los adecuados para recolectar información, qué tipo de información es útil, cómo esa información se puede convertir en un dato valioso o no, cómo procesar esa información y cómo comunicarla.
9 Usando el pensamiento matemático y computacional, lo cual permite al estudiante reconocer y representar variables, generar representaciones simbólicas de las relaciones y predecir resultados (Osborne, 2014; Merino y García-Martínez, 2019).
10 Empleo de software para procesamiento, sistematización y análisis de la información, al mismo tiempo que, uso de herramientas digitales para la comunicación virtual con compañeros y profesores para la generación de otras formas de trabajo colaborativo (García-Martínez, Hernández, Abella, Valbuena, González, Prieto, Muñoz y Gómez, 2018).
11 Analizando casos problémicos que permitan reflexionar sobre las diferentes vías como se ha construido el conocimiento, sus implicaciones sociales, culturales, económicas y ambientales (Izquierdo, García-Martínez, Quintanilla, y Adúriz-Bravo, 2016).
2.3 Impacto en la sociedad y en sus políticas educativas
Al revisar lo planteado en líneas anteriores se observa que la investigación en Educación en Ciencias debería tener un impacto relevante en la construcción de políticas educativas en diferentes niveles de diseño y desarrollo. Así, a nivel macrocurricular se espera que los diseñadores de la política educativa de un país (a nivel de gobierno nacional y de ministerio de educación) y de sus respectivas regiones retomen los resultados de investigación como un insumo que les permite visualizar las principales líneas de desarrollo que se requieren, a partir del estudio de las debilidades y fortalezas en los aprendizajes de los estudiantes.
Las evaluaciones nacionales de los estudiantes son importantes, pero no suficientes ya que no contemplan muchos aspectos que se evidencian en la investigación de campo en las escuelas, en el estudio del trabajo de aula, de los aprendizajes de los estudiantes y del trabajo docente cotidiano. Las evaluaciones nacionales muestran tendencias y valores, pero no permiten comprender por qué se dan de esa manera ni cuál es su origen.
A nivel mesocurricular, las instituciones educativas pueden construir sus proyectos educativos tomando como referencia de consulta los resultados de la investigación educativa, y por supuesto los lineamientos nacionales sobre la política educativa del país. Les permite decidir con mayores argumentos qué estructura curricular es la más pertinente frente a la formación que desean generar en sus estudiantes, desde un modelo pedagógico contemporáneo y actual.
Y a nivel microcurricular, les proporciona herramientas a los profesores para seleccionar qué modelo didáctico, desde la enseñanza de las ciencias, es el que va a adoptar para desarrollar el pensamiento científico y tecnológico en sus estudiantes. Y a partir de él, hacer sus diseños del área de ciencias y tecnología y sus programaciones de aula.
3. La investigación en educación en ciencias y su impacto en los aprendizajes de los estudiantes
Los alumnos no siempre han sido considerados parte fundamental del acto educativo; prueba de ello es que las áreas de investigación asociadas a los alumnos, se han centrado durante largo tiempo únicamente en aspectos psicológicos. Sin embargo, las posturas que entienden el aprendizaje solo en sus aspectos psicológicos o cognitivos, han sido fuertemente criticadas por desconocer temas centrales como la cultura, las relaciones de poder y el discurso (O’Loughlin, 1992).
En las visiones socioculturales, el alumno empieza a ser mirado en relación a estos temas centrales y en su complejidad. Estamos superando la etapa en la que las investigaciones en torno a cómo aprenden los alumnos se hacían con la finalidad de mejorar los aprendizajes dictados curricularmente. Aquí presentamos, en forma breve, el recorrido de algunas áreas o líneas de investigación, partiendo de la visión del alumnado como instrumento para mejora de los logros curriculares en ciencias, hacia el alumnado entendido como persona, situada social y culturalmente, con derecho a una educación para la mejora de sus condiciones y otras propuestas centradas en su bienestar.
3.1 Ideas previas y cambio conceptual
La línea de investigación de ideas previas o alternativas, surge a partir de la tesis de doctorado de Rosalind Driver (1973), sus trabajos (Driver, 1997 y Driver et al., 1999) y una gran amplitud de estudios posteriores, que documentan ampliamente las formas en la que los alumnos explican los fenómenos naturales, identificando que estas son diferentes a las formas en que la ciencia los explica. Estos hallazgos se contraponen con las posturas aceptadas hasta ese momento que, siendo de corte piagetano, sostenían que las capacidades lógico-matemáticas eran globales y no suponían la existencia de diferencias en el conocimiento en dominios específicos.
La importancia de esta línea radica en que ha permitido contribuir a la consolidación de la didáctica de las ciencias como área de investigación y, desde otras perspectivas teóricas, asumirla como disciplina científica, que, como hemos mencionado, es la ciencia que guía al profesor de ciencias. Ciertamente, esta línea nos lleva al reconocimiento de que los alumnos llegan al aula con ideas propias en dominios específicos (disciplinares). Actualmente en las prácticas escolares, está ampliamente aceptado que debemos indagar lo que los alumnos saben, para actuar en consecuencia —esto a partir del desarrollo de esta línea y de las aportaciones de Ausubel (1976)—.
A partir de la documentación de estas ideas, surge otra sobre cambio conceptual, en la cual, de forma general, se busca que los alumnos cambien sus explicaciones por otras cercanas o ajustadas a las científicas. Además, se espera que los alumnos den sentido a estas explicaciones científicas (Ver por ejemplo de Rosalind Driver y colaboradores “Making sense of secondary science”, 1999, y de Eduardo Mortimer y Philip Scott “Meaning making in secondary science classrooms”, 2003). Si bien los estudios sobre cambio conceptual fueron los trabajos más frecuentes (al menos entre 1998 a 2002), estos han ido disminuyendo (Tsai y Wen, 2005), ya que los resultados mostraron que estas explicaciones o ideas previas, no son tan fácilmente sustituibles. Aunque la investigación sobre cambio conceptual continúa, ciertamente ha decrecido el número de publicaciones y el poder predictivo para mejorar el aprendizaje de los alumnos que se le asignó en épocas pasadas. Actualmente, el área ha derivado a la investigación sobre las “restricciones cognitivas” (por ejemplo Talanquer, 2009) o los “obstáculos epistemológicos” (Astolfi, 1994, 1997).
Los hallazgos en estas áreas han llevado a propuestas como la demarcación entre lo que es ciencia y lo que no es ciencia y sus contextos de uso. Por ejemplo, en enseñanza de la evolución (Borgerding y Deniz, 2018), se considera que las ideas científicas y las religiosas generan explicaciones distintas, ambas valiosas, pero dado la inconmensurabilidad de sus paradigmas, se espera que los alumnos entiendan que se producen desde espacios distintos y que se usan en contextos diferentes. Continuando con el ejemplo de la enseñanza de la evolución también se ha discutido la imposibilidad de sustituir algunas formas básicas de razonamiento, por ejemplo la teleología (ver González Galli y Meinardi, 2011). En este último caso la vigilancia metacognitiva es la alternativa señalada (ver abajo en el área de regulación y metacognición). Finalmente, el estudio de razonamiento de los alumnos se ha complejizado y es una área fructífera de investigación.
3.2 Modelos y modelización
Igualmente fructíferas son las áreas asociadas al desarrollo de propuestas teórico metodológicas para trabajar en el aula de ciencias, en las que el papel del alumnado queda claramente señalado, y se espera que integren prácticas de investigación y a la vez desarrollen conocimiento en el área. Dos son especialmente importantes: la indagación y la modelización.
El área de indagación ha tomado importancia, especialmente en Estados Unidos, debido a su incorporación como forma de trabajo en las propuestas curriculares. Se han generado diversos trabajos que señalan qué es y cómo se lleva a cabo, y otros sobre su eficacia y las dificultades asociadas (Ver Flick y Lederman, 2004). En términos generales se busca que el alumnado adquiera habilidades para realizar procesos científicos y conocimiento sobre estos procesos. En el primer caso, se trata de que realicen una serie de actividades organizadas, que incluyen un uso extenso y versátil del discurso oral, escrito, gráfico y simbólico, a fin de solucionar preguntas relevantes o auténticas y que sean capaces de evaluar dichas actividades. Durante las actividades, el alumnado desarrolla saber conceptual, procedimental y actitudinal. Al mismo tiempo, se espera que aprendan acerca de los procesos que los científicos usan para desarrollar conocimiento nuevo, es decir, sobre la naturaleza de la ciencia (Anderson, 2007). Dada la complejidad en el logro de este doble objetivo, esta propuesta se ha tratado como una enseñanza de las ciencias orientada por la indagación.