Una aproximación científica a la educación científica – Investigar sobre el aprendizaje

Segunda parte del artículo : ¿Por qué no intentar una aproximación científica a la educación científica?

En una tradicional clase de ciencia, el profesor se coloca frente a la clase dando una conferencia a un pasivo grupo de estudiantes. Esos estudiantes, entonces salen y hacen los problemas del final del capítulo del libro de texto en casa y hacen exámenes donde hacen ejercicios similares.

La investigación tiene algunas cosas que decir sobre esta estrategia pedagógica, pero me centraré en tres hallazgos — el primero sobre la retención de información en la conferencia, el segundo sobre la comprensión de conceptos básicos, y el tercero sobre la creencia general sobre la ciencia y la resolución de problemas científicos. Los datos sobre lo que discutiré se recopilaron mayormente en cursos de introducción a la facultad de física, pero estos resultados son consistentes con estudios similares realizados en otras disciplinas científicas y a otros niveles de estudio. Este es comprensible, debido a que, dado que son consistentes con lo que sabemos sobre la cognición.

Retener información

Las conferencias se crearon como un medio de transmitir información de una persona a muchas, por lo que un tema obvio de información para la investigación es la retención de la información por esos muchos. Los resultados de tres estudios — los cuales pueden ser replicados por cualquier miembro del profesorado con suficiente estómago — son instructivos.

El primero es de Joe Redish, un profesor de física con gran reputación de la Universidad de Maryland. Incluso aunque los estudiantes pensaban que sus conferencias eran fantásticas, Joe se preguntó cuánto estaban aprendiendo en realidad. Por lo que contrató a un estudiante graduado para atraer estudiantes de forma aleatoria para llenar su clase y al final de la charla preguntó, “¿de qué trataba la charla que acaban de escuchar?” Resultó que los estudiantes sólo podían contestar con las más vagas generalidades.

Zdeslav Hrepic, N. Sanjay Rebello, y Dean Zollman de la Universidad Estatal de Kansas llevaron a cabo un estudio mucho más estructurado. Pidieron a 18 estudiantes de una clase introductoria de física que intentaran contestar seis preguntas sobre la física del sonido y luego, preparados por esta experiencia, lograr las respuestas a estas preguntas escuchando una conferencia de 14 minutos en cinta de video comercial muy refinada, dada por alguien que se supone que es uno de los conferenciantes de física de más éxito del mundo.

En la mayor parte de las seis pregunta, no más de un estudiante fue capaz de contestar correctamente.

En un ejemplo final, un número de veces Kathy Perkins y yo hemos presentado algunos hechos no obvios en una charla junto con una ilustración, y luego hemos interrogado a los estudiantes 15 minutos después sobre el hecho. Aproximadamente el 10 por ciento de los estudiantes lo recordaban para entonces. Para ver si simplemente teníamos estudiantes mentalmente deficientes, se repitió el experimento cuando estaba dando un coloquio departamental en uno de los departamentos de física líderes en los Estados Unidos. La audiencia estaba formada por miembros del profesorado de física y estudiantes graduados, pero el resultado fue aproximadamente el mismo — alrededor del 10 por ciento.

Dado que hay miles de charlas científicas tradicionales dándose a diario, estos resultados son bastante perturbadores. ¿Tienen sentido estos hallazgos? ¿Podría esta escasa transferencia de información en las conferencias ser un problema genérico?

Estos resultado, efectivamente, tienen mucho sentido y probablemente son genéricos, basándonos en uno de los resultados mejor establecidos — aunque ampliamente ignorado — de la ciencia cognitiva: le capacidad extremadamente limitada de la memoria a corto plazo. La investigación nos dice que el cerebro humano pueden retener un máximo de aproximadamente siete elementos distintos en la memoria a corto plazo y no puede procesar más de cuatro ideas simultáneamente.

Lo que exactamente significa un “elemento” cuando se traslada del laboratorio de la ciencia cognitiva al aula es un poco difuso. Pero el número de nuevos elementos que se espera que recuerden y procesen en la charla científica de aproximadamente una hora típica es enormemente superior. Por lo que no debería sorprendernos que los estudiantes sólo sean capaces de captar una pequeña fracción de lo que se les presenta en dicho formato.

Comprender conceptos básicos

Los físicos creemos que una de las grandes fortalezas de la física es que tiene pocas ideas fundamentales que pueden aplicarse de forma muy amplia. Esto ha inspirado a los investigadores en la educación de la física a estudiar cómo de bien aprenden en realidad los estudiantes los conceptos básicos en sus cursos de física, particularmente a nivel de introducción.

Estos investigadores han creado algunas buenas herramientas de evaluación para medir la comprensión conceptual. Probablemente la más antigua y más ampliamente usada de estas sea el Inventario de Conceptos de Fuerza (FCI) (ver Hestenes, 1992 en “Recursos” abajo). Este instrumento comprueba el dominio de los estudiantes sobre los conceptos básicos de fuerza y movimiento, los cuales se cubren en cada primer semestre del curso de física post-secundario.

El FCI se compone de cuestiones cuidadosamente desarrolladas y probadas que normalmente requieren que los estudiantes apliquen los conceptos de fuerza y movimiento en un contexto del mundo real, tales como explicar lo que sucede cuando un coche choca contra un camión. El FCI — ahora administrado en cientos de cursos anualmente — normalmente se da al inicio y al final del semestre para ver cuánto han aprendido los estudiantes durante el curso.

Richard Hake compiló resultados del FCI en 14 cursos tradicionales distintos y encontró que en el curso de charla tradicional, los estudiantes no dominaban más del 30 por ciento de conceptos clave que no conocían antes del inicio del curso.

Una ganancia menor del 30 similar se observa en muchos otros estudios no publicados y son mayormente independientes de la calidad de la charla, tamaño de la clase e institución. La consistencia de esos resultados demuestra claramente que el problema está en la aproximación pedagógica básica: La charla tradicional simplemente no tiene éxito al tratar de ayudar a los estudiantes a lograr dominar conceptos fundamentales.

Las aproximaciones pedagógicas que implica una implicación mayor del estudiante muestran unos logros mayores en las pruebas FCI y similares.

Comprometer las creencias sobre la ciencia y la resolución de problemas científicos

Los estudiantes creen ciertas cosas sobre lo que es la física y cómo se aprende tal disciplina, así como la forma de resolver problemas en física. Si entrevistas a mucha gente, verás que sus creencias están en un experto que varía de “novato” a “experto”.

Mi grupo de investigación y otros han desarrollado instrumentos de estudio que pueden medir dónde están las creencias de una persona dentro de esta escala.

¿Qué significa en este contexto “novato”?

Adaptando la caracterización desarrollada por David Hammer, los novatos ven el contenido de la enseñanza en física como piezas de información aisladas — transmitidas por una autoridad y desconectadas del mundo que les roda — que sólo pueden aprender mediante la memorización. Para el novato, la resolución de un problema científico es sólo encajar el patrón de un problema a ciertas recetas memorizadas.

Los expertos – es decir, los físicos – ven la física como una estructura coherente de conceptos que describen la naturaleza y que han sido establecidas mediante experimentos. La resolución de problemas por parte del experto implica un empleo sistemático de estrategias basadas en conceptos y ampliamente aplicables. Dado que esto incluye ser aplicable en situaciones completamente nuevas, esta estrategia es mucho más útil que la aproximación a la resolución de problemas del novato.

Una vez desarrollas las herramientas para medir dónde están las creencias de la gente en esta escala de experto a novato, puedes ver que las creencias de los estudiantes cambian como resultado de sus cursos. Lo que se esperaría, o al menos desearía, es que los estudiantes comenzaran el curso de la facultad de física en el lado de la escala de novato y tras completar el curso se hayan pasado a unas creencias más en el lado del experto.

Lo que dicen los datos es justo lo contrario.

De media, los estudiantes tienen creencias más similares a los novatos después de haber completado un curso de introducción a la física que antes de iniciarlo; esto se encontró casi en cada curso de introducción medido. Más recientemente, mi grupo empezó a observar las creencias en la química. Si es posible, el efecto de dar un curso de introducción de química a la facultad fue incluso peor que tomar dar de física.

Por lo que nos encontramos con otro misterio sobre la enseñanza tradicional. Esta enseñanza está explícitamente construida alrededor de conceptos de enseñanza y se proporciona a través de profesores que, al menos a un nivel universitario, son expertos incuestionables en la materia. Y aún así, los estudiantes no aprenden los conceptos, y adquieren creencias de nova sobre el tema. ¿Cómo puede ser así?

Discutiremos esto en la tercera parte.


Recursos:

W. Adams et al. (2005), Proceedings of the 2004 Physics Education Research Conference, J. Marx, P, Heron, S. Franklin, eds., American Institute of Physics, Melville, NY, p. 45.
R. Hake (1998), The American Journal of Physics. 66, 64.
D. Hammer (1997), Cognition and Instruction. 15, 485.
D. Hestenes, M. Wells, G. Swackhammer (1992), The Physics Teacher. 30, 141.
Z. Hrepic, D. Zollman, N. Rebello. “Comparing students’and experts’ understanding of the content of a lecture,” to be published in Journal of Science Education and Technology. A pre-print is available at http://web.phys.ksu.edu/papers/2006/Hrepic_comparing.pdf
E. Mazur (1997), Peer Instructions: A User’s Manual, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.
G. Novak, E. Patterson, A.Gavrin, and W. Christian (1999), Just-in-Time Teaching: Blending Active Learning with Web Technology, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.
K. Perkins et al. (2005), Proceedings of the 2004 Physics Education Research Conference, J. Marx, P. Heron, S. Franklin, eds., American Institute of Physics, Melville, NY, p. 61.
E. Redish (2003), Teaching Physics with the Physics Suite, Wiley, Hoboken, NJ.

Autor: Carl Wieman
Fecha Original: 16 de marzo de 2009 2009
Enlace Original

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Comments (10)

  1. Roverto P

    esperando el Tercero…..

  2. Turok

    Espeluznante.¿Cómo puede ser que chicos(y chicas) que pretenden estudiar ciencias físicas tengan en mente que la Física es una especie de retales de cosas que deben ser memorizadas para encajar el problema en la receta memorizada?.Siempre habria dicho que quien decide estudiar física es porque pretende conocer como es el mundo, como funciona, como el Universo hace lo que hace.En definitiva, ¿Qué es la vida?, ¿Que es el Universo en el cual vivimos formando parte del mismo?.Debo decir que hay estudiantes que realmente han estudiado y estudian Física porque buscan ese tipo de respuestas.Es decir el conocimiento de las leyes de la naturaleza.

  3. Muy interesante. Espero impaciente el siguiente.

    Turok, yo te cuento que en mi experiencia no es tan raro. En mi propio caso entré en física porque me atraía, se me daba bien y tenía curiosidad en temas de astrofísica. Pero mi forma de pensar era muy modular, porque es la forma de pensar que se adquiere en la educación secundaria. Y la verdad siempre he sido bastante espabilado a la hora de improvisar soluciones o aplicar las cosas de forma flexible.
    Un ejemplo, para mí que narices tenía que ver la física cuántica, con por ejemplo la cinética. Nada. Son temas (módulos) completamente separados en la educación.
    Pero claro a nivel secundario el nivel básico es demasiado limitado para meterse a analizar las entrañas de todas las teorías físicas y ver que no son temas aislados, sino que todo son ramas del mismo árbol.
    En cualquier caso, en la mayor parte de la educación secundaria ni siquiera se consigue que se entiendan bien las ideas sueltas… como para meterles el árbol en la cabeza. El problema es que se hace hincapié al 99% en “apréndete este tema y como se hacen sus ejercicios”. No hay casi iniciativa por parte de los alumnos: ni saben buscarse las castañas ni se les enseña a buscárselas.

  4. Turok

    Sí.Por supuesto. Tienes toda la razón en lo que dices, Ahskar.El problema está en la manera en que se enseña en la secundaria, y probablemente en la primaria.Ni el gran Feynman se atrevió núnca a decir que había encontrado el método perfecto para enseñar la física.Y, Feynman era adorado por sus alumnos dado lo agradable de sus clases y la facilidad con que era capaz de explicar las materias del programa.En Cornell, donde dió clases se decia:” En Cornell todo el mundo hace diagramas de Feynman, hasta los conserjes de la facultad.”.Supongo que conocerás los famosisimos “diagramas de Feynman” que explican su teoría de la QED.Tanta fué la fama de Feynman que hasta toda una BBC, le televisó cinco esplendidas conferencias que han pasado a convertirse en un clásico de la Física.Esas conferencias fueron públicas y las podia oir toda clase de personas.Igual las conoces,estan editadas en libro.No recuerdo ahora mísmo su título exacto.

  5. El problema es que se hace hincapié al 99% en “apréndete este tema y como se hacen sus ejercicios”. No hay casi iniciativa por parte de los alumnos: ni saben buscarse las castañas ni se les enseña a buscárselas.

    Pero esto no es aplicable sólo a los estudios primarios o secundarios, sino a los universitarios. Al menos en mi etapa de estudiante, la forma más habitual de aprobar un examen era resolver los exámenes de años anteriores. Por lo general seguían una temática similar así que aprendías la “receta” para resolver los problemas tipo, te aprendías de memoria ciertos conceptos teóricos y a por la siguiente.

    El fin del alumno (generalmente) no es aprender, es aprobar. Más que nada porque aprender está muy bien, pero yo lo que necesito es aprobar, para que mis padres no me den la brasa, o para terminar ya y ponerme a trabajar. No sólo el método de enseñanza es mejorable, sino el de evaluación también.

    Quién no ha notado correr un sudor frío por su espalda cuando oía al profesor decir, “pueden ustedes traer a mi examen todo el material bibliográfico que deseen”. Sabías que estabas condenado. No te iba a salvar la memoria, ni la receta, te iban a obligar a comprender la asignatura y a tener tal dominio de ella que podrías resolver cualquier problema relacionado con la misma.

    Sumado a esto tenemos el problema de la modularización, que decía Ashkar. Mi última asignatura aprobada fue Física, del primer año de mi carrera. Comentándolo con el profesor de la asignatura me comentaba, ¿y cómo ha podido usted aprobar el resto de asignaturas sin saber física?

    Muy fácil, teóricamente es necesario, en la práctica, no. Se aprenden los conceptos estrictamente necesairios para aprobar, o se acuden a simplficaciones para evitar entrar en mucha profundidad en “otros” campos. En física no se me exigía un profundo conocimiento del cálculo (análisis matemático), ni en electrónica un profundo conocimiento de física y, sin embargo, a todas luces es algo fundamental. No se establecen relaciones entre las asignaturas, no vemos por qué es fundamental el cálculo de una integral en física, ni el conocimiento del movimiento de un electrón dentro de un campo magnético para la eletrónica. Acudimos a simplificaciones del modelo, aprendemos lo necesario y seguimos adelante.

  6. Turok

    Tal cual, Kanijo.Pero no en todas las universidades del mundo se enseña de la manera que cuentas.Hay lugares, tanto en Europa como en US, dónde la cosa es bastante diferente.Aquí debe producirse un cambio rotundo en la manera de enseñar las ciencias en general y la Física en especial.Como enseño ese experimento de medir la distáncia del sistema Tierra-Luna el profesor italiano, según se cuenta aquí, es una buena manera de empezar.Resulta difícil creer que en Física no se exiga un profundo conocimiento del cálculo.Casi resulta surrealista.Pero si las leyes del movimiento necesitan ya de ecuaciones diferenciales…increible.

  7. Tienes razón Kanijo. Me refería a la secundaria porque es lo que tenía en mente en ese momento, Refiriéndome a la enseñanza universitaria (española) creo que la frase sería igual pero el porcentaje lo llevaría al 80% en vez del 99%. ^^U

    • javier zamora

      Que lamentable situación pasa por la educación y no se diga la secundaria en México a pesar de reformas educativas cada seis años los problemas son similares a lo que ustedes comentan y lo que sucede con el artículo que presentaron. Soy profesor a nivel secundaria y lo observo día a día.

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