Embed Size (px)
Citation preview
1
2
A Ninel, Irina y Andrea
3
Tabla de contenido
Introducción. ................................................................................................... 4
Marco teórico. ................................................................................................. 5
El Modelo Cognitivo de Ciencia Escolar. ....................................................... 6
El papel central del equilibrio químico en la enseñanza de la química. .......... 9
Dificultades en la enseñanza del equilibrio químico. ..................................... 9
Planteamiento del problema y objetivos ......................................................... 13
Problema de investigación. ...................................................................... 13
Objetivos. ................................................................................................ 14
Diseño de la investigación ............................................................................. 16
Diseño de la secuencia didáctica. ............................................................ 17
Contexto de la investigación .......................................................................... 17
Instrumentos utilizados ................................................................................. 18
Evaluación diagnóstica. .............................................................................. 18
Actividad experimental ............................................................................... 20
Primera parte .......................................................................................... 21
Segunda parte ......................................................................................... 22
Cuestionario de cierre ................................................................................ 23
Técnicas de análisis y resultados ................................................................... 24
Análisis inicial. ....................................................................................... 24
Análisis final. .......................................................................................... 26
Conclusiones ................................................................................................. 28
El futuro de la investigación .......................................................................... 30
Agradecimientos. ........................................................................................... 30
Bibliografía .................................................................................................... 31
Anexo: ........................................................................................................... 33
4
Introducción. La enseñanza de la química está en crisis (Izquierdo, 2004). Cada vez hay menos alumnos interesados en estudiarla como profesión, la opinión que los alumnos tienen de ella es desfavorable, con frecuencia se recorta de los currículos o se disminuye el tiempo de su enseñanza y, ya ni siquiera los buenos alumnos tienen facilidad en aplicarla para resolver los problemas que enfrentan en su vida cotidiana.
Para que la química contribuya realmente con la alfabetización científica de los alumnos, se debe priorizar su capacidad de explicar fenómenos relevantes y, para ello Mercè Izquierdo (2004) propone hacerlo con base en tres dimensiones:
1) El diseño de una química para todos. Es necesario aprovechar que actualmente, la química forma parte de todos los currículos obligatorios para empezar a generar experiencia química en alumnos y alumnas, con el fin de que puedan formular preguntas y generar posibles respuestas argumentadas con base en la Teoría Química y que conecten con la experiencia.
2) La complejidad de los conceptos científicos. Muchos docentes tienen la concepción alternativa de que aprender química es fácil, y todo lo contrario; es una ciencia muy concreta (trata con gran diversidad de sustancias) y muy abstracta (su base son los átomos a los que no tenemos acceso). Por lo anterior, es crucial ofrecer a los alumnos y alumnas teorías adecuadas a sus conocimientos y a las intervenciones experimentales que pueden realizar significativamente.
3) Modificación curricular profunda. Los cambios curriculares se han abocado a cambiar la presentación de los temas, pero no el contenido conceptual (teórico), por lo que no habrá formación científica posible. Es el momento de hacer que la química sea comprensible para el gran público y ocupe su lugar como ciencia básica, al servicio de las ciencias que están emergiendo.
La evolución del mundo y la ciencia y el surgimiento de los modelos científicos, plantean la necesidad de reestructurar la química para los discípulos de ahora. Este nuevo acomodo debe darse con base en la labor de los buenos docentes que, tomen en cuenta los intereses de sus alumnos y sepan seleccionar los temas del quehacer químico útiles para entender el mundo en que vivimos.
Es por ello que la metodología de trabajo que planteamos en esta investigación está basada en el análisis, por parte de los alumnos, de fenómenos químicos de su cotidiano que les serán de utilidad para identificar las características y variables directoras de las situaciones planteadas con las que podrán avanzar
5
en la construcción de los modelos científicos y aumentar con éxito su cultura científica. Los resultados de esta investigación apuntan a que, cuando les presentamos actividades que entiendan y les sean significativas, los alumnos participan con ánimo e interés en la resolución de tareas complejas.
Marco teórico. Esta investigación tiene como marco estas nuevas ideas de la ciencia y de la educación científica que toman en cuenta, entre otras cosas, las diversas capacidades cognoscitivas de los estudiantes (Izquierdo, 2004). Son los estudiantes los que deben establecer relaciones significativas entre las teorías químicas, las actividades prácticas que realizan (sus experiencias) y los lenguajes con los que deben expresarse sobre ellas; pero es el profesor, con una didáctica adecuada, el que debe facilitar que los estudiantes puedan hacerlo de una manera significativa (figura 1).
Figura 1. Las dimensiones de la cognición.
Con base en lo anterior, en este estudio trabajaremos en la búsqueda de un dispositivo didáctico que favorezca una nueva dinámica de clase basada en la comunicación de las ideas y una enseñanza de la química como un proceso de modelización. Contextualizaremos nuestro estudio en ideas como las que comentan Izquierdo, Sanmartí y Espinet (1999) cuando mencionan que la ciencia es una manera de pensar que condiciona nuestro actuar en la interpretación de nuevos fenómenos y en la intervención que tengamos en ellos, a través de un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos estructurados. Por otro lado, nos centraremos también en la propuesta de Giere1, que plantea que la forma en que los científicos avanzan en la construcción del conocimiento
1 Giere, R., Explaining Science. University of Chicago Press, 1988.
6
puede equipararse con los esquemas mentales que los seres humanos construimos en el proceso de aprender ciencias.
Por lo anterior, el marco teórico de esta investigación se centra en tres aspectos; el Modelo Cognitivo de Ciencia Escolar desarrollado en la Universidad Autónoma de Barcelona en los 90, el papel central del equilibrio químico en la enseñanza de la química y las dificultades que presenta la enseñanza de este concepto.
El Modelo Cognitivo de Ciencia Escolar. El Modelo Cognitivo de Ciencia que propone Giere para comprender el proceso de aprender ciencia, tiene su origen en el concepto semántico de Teoría; ésta se caracteriza por el conjunto de sus Modelos y éstos lo son porque comparten las mismas reglas del juego y una misma representación de lo que ocurre cuando se interviene en ellos (figura 2). Estos modelos son similares entre sí y similares a conjuntos de fenómenos, el ajuste entre las características de los fenómenos y el Modelo, se realiza por medio de las hipótesis teóricas que son las herramientas de contraste entre lo que prevé el Modelo y los resultados experimentales (Izquierdo, 2007).
Figura 2. Un modelo teórico según Giere.
Las hipótesis teóricas son el vehículo del conocimiento científico para hacer aserciones con contenido empírico sobre la realidad. Afirman que el modelo se parece al sistema en tales y cuales aspectos y con tales y cuales grados de ajuste. Son susceptibles de prueba y, consecuentemente, corroborables o refutables de manera parcial y aproximada durante la investigación científica (Aduriz-Bravo, 2008).
Cuando se comunica y enseña el conocimiento científico, las hipótesis ya han validado al Modelo y los fenómenos se explican en términos de éste. El problema de la enseñanza de la química es que sus Modelos teóricos no son tan ‘visibles’ como los modelos que utilizan otras ciencias, como el modelo del péndulo en el caso de la física (Izquierdo, 2004).
7
El marco teórico de Giere es suficientemente flexible y riguroso como para poder trabajar en clase con modelos científicos escolares que genuinamente sirvan para entender el funcionamiento del mundo natural mediante ideas abstractas y, al mismo tiempo, no se encuentren tan alejados de las concepciones “alternativas” de los adolescentes.
El proceso de modelización en la ciencia escolar, amalgama el modelo cognitivo de ciencia que propone Giere con las capacidades cognitivas que se deben poner en juego en el proceso de aprendizaje científico. El pensar, que opera mediante representaciones de la realidad y corresponde a las teorías científicas; el actuar, que se deriva de la capacidad de desarrollar actividades de transformación del mundo (experimentación científica) y el expresar, que corresponde al lenguaje propio de cada ciencia. Por ello, la ciencia que se enseñe en el salón de clases debe garantizar que los alumnos se comprometan en una dinámica que les permita pensar, hacer y comunicar sus ideas con base en las reglas del juego de la química (figura 3).
Figura 3. Capacidades cognitivas que se ponen en juego en el proceso de aprendizaje.
Actualmente, los modelos ocupan un lugar sustancial en el currículo de química (Caamaño, 2007). De hecho, éste suele estructurarse adoptando los modelos como claves del repertorio de finalidades y contenidos de la enseñanza; y en coherencia con ello, se considera importante que los alumnos aprendan modelos, sepan cómo aplicarlos y desarrollen las competencias necesarias para ser capaces de reconstruirlos.
Para el concepto que nos ocupa, los núcleos temáticos alrededor de los cuáles se organiza el modelo de equilibrio químico serían, por ejemplo:
8
♦ concepto de reversibilidad, ♦ proceso dinámico, ♦ simultaneidad de procesos, ♦ igualdad de velocidades y ♦ constancia de concentraciones a una temperatura dada.
Algunos de los hechos paradigmáticos que se relacionan con el modelo son:
♦ La formación de estalactitas y estalacmitas. ♦ El adelgazamiento de la capa de ozono. ♦ El control del pH sanguíneo ♦ La hiperventilación, etc.
En el modelo cognitivo de ciencia escolar, estos factores, quedarían relacionados como se indica en la figura 4. Estos conocimientos estructurantes han de ser coherentes con los objetivos y han de tener en cuenta las vías de acceso al modelo teórico.
MODELO DEL EQUILIBRIO
QUÍMICO
HECHOS PARADIGMÁTICOS:• estalactitas y estalagmitas• corales• capa de ozono• constancia del pH sanguíneo• hiperventilación
IDEAS ESTRUCTURANTES:
• reversibilidad• proceso dinámico• simultaneidad • igualdad de velocidades• constancia de concentraciones
enunciados, maquetas, esquemas, analogías, … similitud
Figura 4. El modelo de equilibrio químico; sus definiciones y relación con los hechos del
mundo.
El papquímic
permitenuestro
El alumque el dinámicmantienmedio aeste equcon unavivos.
No meeconómcinéticade hierequilibrlímite teconóm
DificulLa ensede compconcept
Figuraequ
ense
pel centrca.
e compreno entorno;
mno o alumozono de
co, ya quene en unaambiente duilibrio, y a trascend
enos relevmica, dondea química, ro metálicrio es cructermodiná
mica.
ltades eeñanza delplejidad, etual (figur
a 5. La impouilibrio químeñanza de la
al del eq
nder los di tanto natu
mna que se la estrae este gasa proporcdebidos a han provodencia tal
vantes soe se ponen como la sco por redcial para smico y cu
n la ensel equilibrioespecificidra 6); su a
ortancia del mico en la a química.
quilibrio
El equcentralparte mundolos últprogramgeneraprimer
La impque, preacciófundam5). Por
iversos sisurales com
sepa equiliatosfera ss se produión determ la actividaocado el aque empie
on las an en juegosíntesis deducción daber hastauáles sus
eñanza do químico
dad y abstaprendizaj
9
químico
ilibrio qules en la de los cu
o contemptimos añosmas de
almente elr tercio de
portancia dpor una pón químicamental en otra, el costemas en mo de impo
ibrio químse encuenuce y descminada enad humanadelgazameza a afect
aplicacione simultáne
el amoníacdel mineraa qué pun aplicacio
del equi no es fácracción. Tje requiere
o en la e
uímico es enseñanzurrículos
plan su ess de este
estudio l tema elas carrer
del estudioparte coma, razón p el estudionocimien equilibrioortancia in
mico, podrántra en ucompone cn la atmóna, han priento de latar la calid
es industeamente c
co (procesoal de hierrnto avanzaones indus
librio qucil, es un cTiene tambe la comp
nseñanz
uno de za de la q
de bachstudio, y nivel edu
de la stá consias del área
o de este tmplementapor la cuaio de la qunto de esteo que se endustrial.
á entendern estado continuamósfera. Losroducido aa capa de dad de vid
triales deconceptos o Haber) o ro. El cona un procestriales de
uímico. concepto cbién una gprensión y
za de la
los concequímica. Gillerato ense estudia
ucativo. Enlicenciat
iderado ena.
tema radica el temaal se consiuímica (fi
e conceptoencuentran
r, por ejem de equil
mente, pers cambiosalteracione ozono. He
da de los s
e importade equilib la produc
nocimientoeso, cuál ee importa
con alto ggran exige el manej
eptos Gran n el a en n los tura, n el
ca en a de idera gura
o nos n en
mplo, ibrio ro se s del es en echo seres
ancia rio y
cción o del es su ancia
grado encia o de
10
otros conceptos químicos de difícil aprendizaje como son: reacción química, estado gaseoso, estequiometría, cinética y termoquímica.
Figura 6. Conocimientos conceptuales antecedentes al estudio del equilibrio químico.
Esta carga conceptual, lo hace difícil de comprender y justifica que su estudio se inicie hasta el último curso de química de la enseñanza media superior. Otra razón por la que este tema es incluido hasta este momento es que, desde el punto de vista del desarrollo cognitivo del alumno, la naturaleza abstracta del concepto de equilibrio hace que requiera la utilización del pensamiento formal para su comprensión. Wheeler y Kass (1978) en su investigación, sostienen que un alumno que no ha alcanzado un nivel de pensamiento formal avanzado es incapaz de entender que el equilibrio químico es un proceso dinámico: dos procesos con sentidos opuestos.
Por lo anterior, la enseñanza-aprendizaje del equilibrio químico ha sido objeto de muchos estudios en didáctica de las ciencias y, como frecuentemente se ha asociado con dificultades de aprendizaje, no es de sorprender que se ha escrito mucho al respecto y con diferentes objetivos; para conocer las dificultades de aprendizaje de los alumnos, los errores conceptuales, las concepciones alternativas, las explicaciones a estos errores, la superposición de los niveles de representación macroscópica y nanoscópica, etcétera.
La investigación educativa menciona que, a diferencia de otros temas del currículo, una parte importante de las concepciones alternativas relativas al equilibrio químico se generan durante la instrucción y otras se heredan de conceptos antecedentes como el de reacción química.
En cursos introductorios de química, las reacciones químicas usualmente se asocian con fenómenos observables; cambios de color, evolución y absorción de calor, formación de precipitados, formación de gas, etc., y se presentan como procesos que avanzan hasta terminar y tienen lugar en una dirección (Van Driel y Gräber, 2002). En contraste, la introducción del equilibrio químico en etapas avanzadas, demuestra la reversibilidad de las reacciones químicas y la posibilidad de que las reacciones no terminen. Más aún, la naturaleza dinámica del equilibrio químico requiere que los estudiantes comprendan que se llevan a cabo dos reacciones químicas simultáneas y opuestas, hecho que no puede
11
deducirse de la observación. En consecuencia, es necesario que al introducir el concepto de equilibrio químico, los estudiantes revisen su concepción inicial de reacción química (ver cuadro 1) 2.
Concepto de reacción química en cursos introductorios.
Concepto de reacción química después de la introducción del equilibrio
químico.
Una reacción química se lleva a cabo sólo en una dirección; los reactivos se convierten en productos. Aunque los elementos químicos se conservan durante este proceso, los productos obtenidos no pueden “re-transformarse” directamente en los reactivos originales.
Muchas reacciones químicas son reversibles, es decir, la conversión de reactivos en productos puede invertirse por una intervención “simple”, como por ejemplo, calentar el recipiente de reacción o cambiar su volumen.
Todas las reacciones químicas llegan a su fin. Los reactivos se convierten totalmente, mientras estén presentes, de acuerdo a una relación de masas fija.
En un estado de equilibrio químico, una reacción química nunca termina, es decir, todos los reactivos y productos están presentes en el sistema en equilibrio.
Las reacciones químicas están asociadas con cambios macroscópicos, que pueden ser observados directamente; cambios de color, etc., o con la ayuda de un instrumento específico; cambio de punto de fusión.
En un sistema en equilibrio químico, todas las propiedades macroscópicas son constantes. A pesar de que se están llevando a cabo simultáneamente dos reacciones opuestas a la misma velocidad; los efectos macroscópicos observables se cancelan entre sí. Por lo tanto, el equilibrio químico es un proceso dinámico.
Cuadro1.Cambios requeridos en las concepciones de los alumnos acerca de reacción química asociadas con la introducción del equilibrio químico.
Los trabajos de investigación sobre enseñanza y aprendizaje del equilibrio químico (Quílez, 1995), ponen de manifiesto que este tema es uno de los que presentan más dificultad desde el punto de vista didáctico y coinciden en cuáles son los puntos de mayor conflicto.
Algunas de las dificultades de aprendizaje y concepciones alternativas que reporta la literatura se estudiaron en un trabajo previo (Huerta, 2008) y, de
2 Tomado de Van Driel y Gräber (2002), p. 277.
12
esta investigación queremos destacar las siguientes, en tres grupos; las que se heredan de la enseñanza de conceptos antecedentes, las que se desconocen y las que se generan durante la instrucción:
Dificultades que se heredan de conceptos antecedentes • Deficiencia en el manejo del lenguaje químico y de las ecuaciones
químicas. • Confusión entre masa, cantidad de sustancia y concentración (Wheeler y
Kass, 1978; Quílez, 2002). • Confusión entre coeficientes estequiométricos y cantidades presentes en
una reacción química. • Dificultades matemáticas y con la estequiometría. • Confusión sobre el comportamiento de los gases, teoría cinética
molecular, leyes de los gases. • Incapacidad en el manejo de la proporcionalidad. • Inadecuada comprensión microscópica de la reacción química.
Conceptos necesarios y no estudiados con anticipación: • Desconocimiento y, en consecuencia, no admisión de reacciones químicas
reversibles. • Equilibrio dinámico y sus implicaciones.
Concepciones alternativas que se generan durante la instrucción. • Las reacciones directa e inversa se identifican como sucesos separados e
independientes. • No se comprende la existencia de dos reacciones distintas en un mismo
sistema. • Hay dificultades para considerar que todas las sustancias que intervienen
forman parte de un sistema único, es decir, que todas las sustancias se encuentran mezcladas dentro del recipiente en el que tiene lugar la reacción.
• La interpretación que usualmente se hace de la flecha en la ecuación química es: si es sencilla representa un proceso que termina y cuando se escribe doble implica dos reacciones separadas.
• Existe una cierta tendencia a considerar que la velocidad de la reacción directa aumenta con el tiempo, desde que se mezclan los reactivos hasta que se establece el equilibrio, lo que implica que la igualdad de velocidades nunca se alcanza.
• Hay dificultades para entender la naturaleza dinámica del equilibrio químico porque subyace en ellos el concepto de equilibrio estático. La asociación del equilibrio químico con una balanza en equilibrio, se pone de manifiesto cuando los alumnos afirman que no se producirá ningún cambio en un sistema en equilibrio químico si se agregan simultáneamente cantidades iguales de un reactivo y de un producto, reforzando la idea de un equilibrio estático.
13
• Existe una sinonimia entre los términos equilibrio e inmovilidad, situación que probablemente se reafirma por la constancia en la composición del sistema en equilibrio.
• Como una alternativa al concepto estático, el equilibrio a veces es visto de forma oscilante, como un péndulo, la reacción inversa no comienza hasta que termina la directa, y viceversa. Esta idea se encontró en un estudio de estudiantes neerlandeses de secundaria (15-16 años de edad; Van Driel et al., 1998) y entre estudiantes universitarios estadounidenses.
• Se asocia la palabra equilibrio con igualdad de materia, de concentración, de coeficientes estequiométricos.
• Como se sabe que las ecuaciones químicas tienen que estar balanceadas, se transfiere esta idea al estado de equilibrio y las concentraciones de reactivos y productos se consideran iguales.
Como puede observarse, además de las dificultades heredadas del aprendizaje de los conceptos antecedentes, son muy importantes las relativas a las características de este estado termodinámico: sistema cerrado, proceso reversible, equilibrio dinámico, igualdad de velocidades, constancia de concentraciones e interpretación de la constante de equilibrio, sin mencionar todas las que se propician por la enseñanza tradicional en la que, antes de asegurar la comprensión del equilibrio químico como un estado termodinámico con características particulares y muy novedosas para los alumnos, se introduce el famoso Principio de Le Chatelier provocando una confusión mayor.
Planteamiento del problema y objetivos
Problema de investigación. La enseñanza del concepto equilibrio químico implica un gran desafío, tanto en la educación media superior como en la universitaria. Van Driel y Gräber (2002, p. 271), inician el capítulo recordando una frase de Hildebrand, que considero significativa:
“Parece ser que no hay tema en la química del primer año que presente más dificultades a los estudiantes que el equilibrio químico. Después de tratar por casi 30 años de dar respuestas claras a sus preguntas, he llegado a tener una gran simpatía por mis alumnos y me he dado cuenta que es un tema inherentemente difícil”
Los autores además de un recuento de las investigaciones que se han hecho para conocer las dificultades de aprendizaje que presentan los alumnos, cuáles son las concepciones alternativas asociadas y buscar explicaciones a estos errores, presentan algunas recomendaciones con el fin de diseñar propuestas didácticas más efectivas en la construcción del concepto por parte de los alumnos:
14
1) La naturaleza dinámica del equilibrio químico no puede verse y “a ciegas” los alumnos necesitan comprender que este estado implica un intercambio de moléculas o átomos entre dos reacciones contrarias a la misma velocidad.
2) El énfasis en la resolución de problemas es puesto en aspectos cuantitativos del aprendizaje a expensas de razonamientos cualitativos. En el caso de la constante de equilibrio, los alumnos pueden calcular su valor, pero difícilmente darán una interpretación correcta de ese valor.
3) Debe aclararse al alumno que la gran mayoría de las reacciones son reversibles, la unidireccionalidad de las reacciones es una excepción.
4) La mayoría de las reacciones en nuestros cursos se llevan a cabo en fase acuosa, de tal manera que trabajamos con sistemas cerrados aunque los matraces estén abiertos.
Existen numerosas investigaciones en didáctica de las ciencias (Moncaleano y colaboradores, 2003) que muestran lo poco eficaces que han sido las estrategias tradicionales de enseñanza del equilibrio químico para promover su aprendizaje significativo, por lo que se hace necesaria la búsqueda de nuevas propuestas didácticas enmarcadas en una visión actual de la educación científica, es decir, partir de preguntas que surjan del entorno del estudiante y tomen en consideración sus conocimientos conceptuales y procedimentales, para avanzar rumbo a la construcción de modelos científicos con base en la interpretación del fenómeno en el mundo nanoscópico.
Izquierdo y Aliberas (2004) plantean que uno de los retos de este tercer milenio es lograr que la educación química sea razonable y racional, para que genere opinión y contribuya al desarrollo humano de todas las personas, desde primaria hasta universidad. La enseñanza del concepto de equilibrio químico, hasta ahora, no ha sido razonable ni racional; los problemas que se les pide resolver a los alumnos no les son significativos ni los entienden porque no los identifican en su entorno y como, se presenta tradicionalmente en forma paralela al principio de Le Chatelier, el resultado es que los alumnos memorizan el principio y lo aplican en forma rutinaria (Huerta, P., 2008).
La enseñanza del equilibrio químico, al igual que otros contenidos de las clases de ciencias, sólo tendrá sentido si le brinda al alumno las herramientas necesarias para entender los hechos paradigmáticos del mundo y a través de ellos logra construir los modelos teóricos que utiliza la ciencia (Izquierdo, 2005).
Objetivos. Los objetivos de esta investigación hacen referencia a lo que afirma Mercè Izquierdo (2004, p. 117): “implicar a los alumnos en fenómenos relevantes y
15
significativos para ellos, y garantizar una dinámica que les permita pensar, hacer y comunicar de manera coherente “según las reglas del juego de la química”. Para ello no bastan las buenas preguntas ni un sistema de valores adecuado; es necesario también disponer de buenas teorías que ayuden a pensar y de las palabras adecuadas para sustentar una dinámica cognitiva que es, a la vez, intervención y transformación del mundo”.
Frente al problema tan importante que plantea la enseñanza del equilibrio químico, el papel central que éste juega en la educación química y con base en los resultados de la literatura especializada, que indican la importancia de poner atención a la forma como se presenta la enseñanza y al seguimiento que se debe hacer sobre la persistencia de las concepciones alternativas, cambiando la estrategia de instrucción para evitarlas. Con ello en mente, en este estudio trabajaremos en la búsqueda de un dispositivo didáctico que favorezca una nueva dinámica de clase basada en la comunicación de las ideas y una enseñanza de la química como un proceso de modelización.
De esta suerte, los objetivos que nos planteamos en esta investigación son:
• diseñar y poner en práctica una secuencia didáctica que permita a los alumnos, profesores en formación de la Universidad Autónoma de Barcelona, identificar algunas de las características de los sistemas en equilibrio.
• Identificar cómo mejora, la secuencia didáctica, el aprendizaje del equilibrio químico.
• Identificar cómo el uso de un modelo científico les es de utilidad en la explicación de un hecho cotidiano.
Esta secuencia debe contemplar la realización de actividades experimentales, que le permitan a los alumnos “visualizar” el modelo de equilibrio químico y les de herramientas para identificar las características fisicoquímicas de los sistemas en este estado termodinámico. Contemplaremos también actividades con las que los alumnos y alumnas puedan expresar libremente sus dudas y formulen hipótesis y argumenten con base en las teorías y modelos científicos. Como parte de la evaluación, los alumnos deberán buscar explicaciones, con base en argumentos químicos, al por qué de situaciones propias de su entorno.
Con base en lo anterior, las preguntas que estaos interesadas en responder con los resultados que se obtengan son:
• ¿La secuencia didáctica diseñada es útil en el aprendizaje del equilibrio químico?
• Ed
DiseñEl proccuatriminvestiginvestig
Si la destriba cosas dactuar elas de lla metade la aconscie
Con baevaluacalumno
El aprendiirecta en l
o de la ceso de i
mestre del gar y los ogación (figu
diferencia en que su
diferentes, en la esculos científia es aprenactividad ntemente
ase en lo ción diagnos y alum
•Identifdel prode inve
•Plantede obj
Eta
izaje obtenla búsqued
investiginvestigaci máster,
objetivos pura 7):
Fig
entre la aus protagon debemos
uela como icos; sino
nder ciencicientífica hacia esta
anterior, nóstica, comnas del
ficación oblema estigación
eamiento etivos
apa inicia
nido con da de solu
gación ión se fuuna vez
planteados
gura 7. Etap
actividad nistas tiens incidir e si la metaque, al coias y debeescolar c
a meta.
se decidion el objet tema y
al
•Dissecdid
•Disinst
16
esta secuuciones a p
ue desarroidentifica
s, se proce
pas de la inv
científica nen metas especialmea y los valontrario, demos orgacomo una
ió iniciar to de iden algunas
seño de la cuencia ácticaseño de trumentos
Etapa dediseño
uencia, ¿pproblemas
ollando a ado el proedió al dis
vestigación.
y la acti diferentesente en eslores de lodebemos panizar los a manera
la secuenntificar qu de las
e •Ala
•Od
•Ai
•C
permite u cotidiano
lo largo oblema quseño de la
ividad ciens y, por lo ste punto.os alumnosplantear cldiferentesde avanz
ncia didácué tanto r
posibles
Aplicación a propuestObtención datosAnálisis denformaciónConclusion
Etapa f
una aplicas?
del seguue quería
a secuenci
ntífica esc tanto, val. No podes fueran claramente
s componezar racion
ctica con ecordabanconcepcio
de tade
la nes
final
ación
undo amos ia de
colar oran emos como que
entes nal y
una n los ones
17
alternativas que presentaran. Con base en el análisis de estos resultados, se diseñó la conducción de la actividad experimental y se eligieron los problemas a resolver como actividad de cierre.
Diseño de la secuencia didáctica. Se decidió centrar la secuencia didáctica en una actividad experimental que fuera atractiva y propiciara el interés de los alumnos en el estudio del tema y que también fuera “jugosa” desde el punto de vista conceptual. La dinámica se propuso en dos partes, con el fin de dar tiempo a la discusión grupal y al análisis individual de la situación por parte de los alumnos. Para promover la expresión escrita, se diseñaron dos guías de observación, una para cada parte, cuyo objetivo era guiar las observaciones hacia el análisis e identificación de las especies químicas presentes en las disoluciones con las que se trabajó.
Como evaluación de cierre se diseñaron dos problemas que tratan el tema de hiperventilación, una situación que consideramos común para la edad de los estudiantes de la muestra. Con el fin de contextualizar las situaciones problemáticas planteadas, se diseñaron un conjunto de preguntas para propiciar el análisis del mecanismo de control del pH sanguíneo como preámbulo a la resolución de los problemas propuestos.
Contexto de la investigación La presente investigación se realizó en la Universidad Autónoma de Barcelona. Los datos se recabaron con los alumnos y alumnas de una asignatura optativa de química para maestros de primaria e infantil cuyas edades oscilan entre los 18 y los 25 años. La asignatura de química que cursan estos maestros pertenece al itinerario de ciencias.
El total de alumnos que participaron en este estudio fueron aproximadamente 20 tomando en cuenta los grupos de la Dra. Mercè Izquierdo y de Cristian Merino de la UAB.
La continuidad de la aplicación de la propuesta se vio afectada por los problemas estudiantiles que surgieron por la puesta en marcha del Plan Boloña, lo que provocó que el cuestionario diagnóstico se aplicara en días diferentes en los grupos: el 20 de abril lo hicieron los alumnos del grupo de Cristian Merino y el 30 de abril los de la Dra. Mercè Izquierdo. Los dos grupos se tomaron como una sola muestra, ya que no hay interés en identificar diferencias entre ellos, sino ampliar la muestra.
18
Tomando en cuenta ambos grupos, el total de alumnos que participaron en el estudio fueron aproximadamente 20
Instrumentos utilizados
Evaluación diagnóstica. Con base en el análisis de los errores conceptuales y las dificultades de aprendizaje asociadas a la construcción del concepto de equilibrio químico, consideramos adecuado iniciar la evaluación diagnóstica (ver anexo) con el análisis de una analogía con el fin de retomar la caracterización de este estado termodinámico (este concepto se estudia en bachillerato) y que sea la pauta para que los alumnos analicen y argumenten. Como la muestra no es grande (18 alumnos) y deseamos obtener datos ricos y personales, nos decidimos por un cuestionario muy abierto y verbal.
La analogía que elegimos es la del restaurante a la hora de la comida porque la literatura especializada (cuadro 2)3 reporta que es útil para identificar las características de reversibilidad, proceso dinámico e igualdad de velocidades, conceptos por los cuales nos parece importante iniciar el análisis y la introducción del tema de equilibrio químico una vez terminado el de cambio químico.
Como puede verse en la tabla, todas las analogías presentan bondades, pero también tienen inconvenientes. La mayor parte de ellas muestran una visión compartimentada del equilibrio, otras dan vida a las partículas o sustancias involucradas y algunas producen confusiones entre cantidad y concentración. Por ello es recomendable trabajar las analogías junto con otras actividades que tiendan a eliminar o disminuir estos inconvenientes.
El uso de analogías, comúnmente aparece en la literatura relacionado con la ayuda en la comprensión y desarrollo de las nociones abstractas que manejan los modelos o como recurso dirigido a “cambiar” las ideas intuitivas ya existentes por las ideas basadas en los modelos de la ciencia escolar (Oliva y Aragón, 2009).
Por otra parte, Van Driel y Gräber (2002) mencionan que el uso de analogías es una buena herramienta didáctica para enfrentar las dificultades de aprendizaje del concepto de equilibrio químico, dada su naturaleza abstracta y su característica dinámica. También es difícil distinguir una situación de equilibrio
3 Tomado de Huerta, 2008.
19
20
de una en la que no lo está. Por ello, las analogías han sido muy utilizadas como apoyo a la enseñanza del equilibrio químico (Van Driel y Gräber, 2002).
Con el diseño del cuestionario (ver anexo), se deseaba identificar qué, cómo y cuánto recuerdan las alumnas y alumnos del equilibrio químico. Es un tema que se estudia en el segundo curso de bachillerato y los grupos de investigación, son heterogéneos; hay quiénes lo estudiaron hace un año, otros lo vieron hace más tiempo y otros no lo han visto nunca.
La relación de las preguntas con algunas de las finalidades de la investigación es la siguiente:
PREGUNTAS OBJETIVOS 1 2 3 4 5 Caracterización del equilibrio químico x x Representación del equilibrio químico x x Variables que afectan el equilibrio químico x Utilidad del equilibrio químico x Identificación de problemas de aprendizaje x x x x x
Cuadro 3. Preguntas evaluación diagnóstica vs finalidades de la investigación.
Actividad experimental
Muchos estudios de la literatura, toman en cuenta la explicación macroscópica en el sentido de que las sustancias reaccionan hasta alcanzar un estado final de equilibrio en el cual el sistema no cambia aunque quedan sustancias que pueden interactuar. Al respecto, Gabel (1999) comenta la necesidad de realizar análisis cualitativos de la situación de equilibrio que permitan precisar el estudio a realizar, donde el estudiante sepa caracterizar macroscópicamente la situación o estado final al que llega el sistema, relacionándolo con la caracterización microscópica o carácter dinámico del equilibrio, para posteriormente representarlo simbólicamente.
Nos decidimos por una actividad experimental como actividad central de la secuencia, porque como dice Luis del Camen (2002) en su artículo, las actividades experimentales:
Pueden jugar un papel importante en el incremento de la motivación hacia las ciencias experimentales.
Son una ayuda inestimable para la comprensión de los planteamientos teóricos de la ciencia y el desarrollo del razonamiento científico por parte de los alumnos.
21
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.
Pueden ser una base sólida sobre la que desarrollar algunas actitudes fundamentales relacionadas con el conocimiento científico (curiosidad, confianza en los recursos propios, apertura hacia los demás, etcétera).
La secuencia de aprendizaje diseñada, toma en cuenta o intenta propiciar varias de éstas situaciones, además de insistir en el análisis cualitativo de la situación de equilibrio al hacer hincapié en la necesidad de que los alumnos y alumnas, analizaran los iones presentes en cada una de las tres disoluciones preparadas, con base en los componentes que las forman, e infirieran cómo cambiaba la situación al agregarles nieve carbónica.
Para propiciar la cercanía con el fenómeno y asegurar que los alumnos tendrían tiempo suficiente para observar los cambios, formular hipótesis y preguntas al respecto y propiciar la discusión entre ellos, se decidió realizar la actividad en dos sesiones.
Primera parte El objetivo de esta primera parte fue que los alumnos relacionaran el cambio de color de un indicador de pH con los diferentes iones presentes en las disoluciones y con el valor de pH del medio.
A cada equipo se le proporcionó suficiente material para realizar la actividad y a cada alumno se le entregó una guía de actividad (ver anexo). Debían analizar en cada paso de la secuencia los diferentes iones del medio y relacionarlo con el color que presentaba el indicador universal. Al hacer burbujear en las disoluciones la nieve carbónica (dióxido de carbono sólido), se forma ácido carbónico y, en consecuencia, aumenta el valor de pH de las disoluciones.
Para realizar la actividad, se organizaron en grupos de tres estudiantes y debían de identificar un procedimiento adecuado para hacer disoluciones 0.1 M a partir de disoluciones 1 M que eran las que había en el laboratorio. Sin duda éste fue un primer problema.
Posteriormente se les pidió que colocaran las Figura 8. Disoluciones con indicador universal
22
disoluciones en cada uno de los vasos de precipitados que se les proporcionó y predijeran los iones presentes en cada una de ellas. Después se les pedía que agregaran unas gotas de indicador universal y que interpretaran el color resultante en las disoluciones (figura 8). El objetivo era que recordasen el papel que juegan los indicadores de pH.
Una vez identificada la nieve carbónica como el dióxido de carbono sólido, los alumnos debían predecir qué sucedería si le agregaban nieve carbónica a las disoluciones contenidas en los vasos. La intención era que los alumnos llegaran a identificar que el CO2, al disolverse en agua, disminuiría el pH de las disoluciones y esa disminución se reflejaría en el cambio de color del
indicador universal (figura 9).
Posteriormente debían discutir en equipo el porqué de los cambios observados y llegar a conclusiones
sobre los iones presentes en cada vaso.
Al comparar con la escala de color del indicador, los alumnos debían confirmar o no sus suposiciones acerca de los cambios en el valor del pH de las disoluciones, sugeridos por los cambios de color observados y, con base en ello, analizar qué iones estaban presentes en cada disolución.
En todo momento se propició la participación de los alumnos y, con base en sus suposiciones, preguntas y el análisis grupal de sus propuestas, formulaban sus conclusiones.
Finalmente, los alumnos se llevaron como tarea el cuadro al final de la hoja, ismo que debían completar y traducir sus observaciones a la escala de pH. La clase siguiente la entregaron.
Segunda parte La segunda parte de la actividad se realizó en forma demostrativa porque no se consiguió más nieve carbónica y tuvimos que utilizar un refresco carbonatado cómo sustituto, los resultados fueron muy cercanos a los que se obtienen con el CO2, sólido y la prueba resultó muy interesante.
Ahora, la presentación fue demostrativa y el punto de inicio era el mismo que el punto final de la sesión anterior. A cada uno de los vasos de precipitados se les agregaron disoluciones ácidas y básicas.
Figura 9. Cambios de color de las disoluciones al agregar la nieve carbónica.
23
El objetivo era que los alumnos identificaran que una de las disoluciones (la que contenía hidróxido de sodio), no presentaba cambios de color al agregarle ácidos o bases fuertes. Los alumnos debían identificar que esta situación implicaba constancia en el valor de pH, a pesar de las perturbaciones del entorno. Deseábamos también que interpretaran que esta particularidad se debía al conjunto de iones presentes en esta disolución y que no era compartida con las otras dos. Gracias a ello, el sistema puede disparar un mecanismo que le permite regular el valor del pH y mantenerlo en un intervalo de valores muy estrecho, como es el caso de la sangre humana.
Se les repartió una guía de observación (ver anexo) con el objeto de poner la atención en todo momento en la identificación de los iones presentes y relacionarlos con los cambios que se presentan en cada uno de las disoluciones de trabajo. La última pregunta de la guía los alumnos debían resolverla en casa al igual que el cuestionario de cierre.
Cuestionario de cierre Como actividad de cierre, se diseñó un cuestionario (ver anexo) con un objetivo doble. La primera parte les plantea una lectura sobre la importancia del pH en la salud humana en la que se les da información de las características del valor de pH de la sangre y los riesgos que se corren cuando este valor cambia drásticamente.
Después de la lectura debían responder siete preguntas sobre este mecanismo de control sanguíneo. Las últimas dos les dan información de la participación del sistema respiratorio en esta regulación.
La parte final del cuestionario es el planteamiento de dos situaciones problemáticas que plantean lo que sucede cuando una persona se hiperventila y se pregunta de qué manera solucionarlas. A cada alumno se le repartió un cuestionario y se dejó para resolver en casa.
24
Técnicas de análisis y resultados El análisis realizado para los datos de toda la secuencia es de corte cuantitativo. En el tratamiento de datos de la evaluación diagnóstica utilizamos como herramienta el software MAXQDA y, el análisis del resto de la información se hizo con base en la elaboración de una tabla de resultados para obtener porcentajes de acierto.
En este análisis se muestra desde la distribución de frecuencias, un momento inicial (correspondiente a la evaluación diagnóstica) y un momento final, que hace referencia a las respuestas que dieron los alumnos a los dos problemas planteados.
Análisis inicial. En la gráfica se muestran algunas de las categorías que propusimos y la frecuencia de éstas:
Cuadro 4. Categorías y frecuencias.
Los sub-códigos asociados son:
Cuadro 5. Sistema de sub-códigos utilizados en el análisis.
25
El cuadro y la gráfica de frecuencias son:
CATEGORÍAS PORCENTAJE FRECUENCIA Equilibrio_situacion cotidiana 10.86 19 Representación del equilibrio 24.00 42 Falta de conocimientos previos 12.00 21 Posibles concepciones alternativas 14.86 26 Propuestas de ejemplo de EQ 8.57 15 Identifica que la T y la P afectan el EQ 2.29 4 Caracterización del equilibrio químico 27.43 48
175 Cuadro 6. Resultados evaluación diagnóstica.
Figura 10. Gráfica de frecuencias de la evaluación diagnóstica.
Como puede verse en el cuadro 6, si bien los alumnos identifican algunas características del equilibrio químico en una situación cotidiana, y saben reconocer que la doble flecha es la forma de representarlo, no pueden identificar ejemplos en su entorno ni tampoco reconocer que la presión y la temperatura son variables directoras de este estado termodinámico. Por otro lado, se identifican algunas concepciones alternativas y falta de conocimientos conceptuales antecedentes.
Equilibrio_situac
ion …
Representación del …
Falta de conocimientos …
Posibles concepciones …
Propuestas de
ejempl…
Identifica que la T y la …
Caracterización
del …
Series1 10.86 24.00 12.00 14.86 8.57 2.29 27.43
0.0010.0020.0030.00
Fre
cuen
cia
Resultados de la evaluación diagnóstica
26
Análisis final. Las respuestas de los alumnos a los dos problemas planteados son las siguientes:
1) Problema 1. Durante los periodos de esfuerzo extenuante, cuando los tejidos no tienen oxígeno suficiente, se producen otros ácidos como el ácido láctico, que hace que el pH sanguíneo disminuya y esto estimula un aumento en la rapidez de la respiración. ¿Para qué se produce este aumento y de qué manera nos ayuda a mejorar nuestro estado de cansancio?
C1. pH de la sangre igual a 7.35 – 7.45 + ácido láctico → pH de la sangre disminuye y la rapidez respiratorio aumenta. Se promueve un aumento de la rapidez respiratoria con tal de tener una mejor concentración de… Gracias a esta oxigenación el CO2 no es constante, …, el ácido láctico ayuda a proporcionar energía y atenuar el cansancio.
C4. Para equilibrar el pH porque si respiramos más, eliminados CO2 y el pH se vuelve más básico. Nuestro estado de cansancio es menor después de un rato de correr porque vuelve a equilibrarse el pH, el nivel de oxígeno… y pasamos de la respiración llamada anaeróbica a la aeróbica.
C6. NO RESPONDIÓ
M2. El aumento en la rapidez de la respiración se produce para aumentar el nivel de O2 en la sangre y también para disminuir el nivel de CO2. Gracias a la eliminación de CO2 también disminuye el nivel ácido de la sangre. Con mayor oxígeno nuestras células trabajan mejor.
M5. Respirar más rápido hace que eliminemos más cantidad de CO2, que al mismo tiempo reduce el ácido carbónico en la sangre lo que cual equilibra el pH.
M6. El aumento en la rapidez respiratoria es debido a que al hacer un esfuerzo extenuante, las concentraciones arteriales de CO2 y de H+ se elevan notablemente. Entonces, lo que se pretende es reajustar el CO2 y los H+ de la sangre. Por esto aumenta la velocidad de respiración, ya que así se incorpora oxígeno a la sangre y se elimina CO2 (ácido), por lo tanto, aumenta el pH.
M7. NO RESPONDIÓ
M10. Se produce un aumento de la respiración por falta de oxígeno en los tejidos de la sangre. Es con la respiración que obtenemos sustancias del aire
27
(O2, N2, vapor de agua) necesarias y más cuando hacemos un esfuerzo y ens trobem con la vía anaeróbica como en el caso anterior.
M11. Cuando hay demasiada demanda de energía por el esfuerzo realizado el lactato se produce más rápidamente que la capacidad de los tejidos para eliminarlo y la concentración de lactato aumenta. Por lo tanto si hay un aumento de la inspiración nos ayuda a mejorar nuestro estado de cansancio que el ácido láctico crea muchos cabones y hace que disminuya el pH, por eso es debido a la diferencia de iones y.... Para evitarlo necesitamos más oxígeno.
M12. NO RESPONDIÓ
2) Problema 2. Algunas veces, cuando las personas sufren ataques de pánico, o respiran muy rápido y no realizan la exhalación debidamente, se hiperventilan y sienten hormigueo, mareos, palpitaciones, etc. Esto se debe a que el pH de la sangre se altera. Uno de los remedios que se recomiendan para mejorar esta situación es respirar durante unos minutos colocando una bolsa de papel sobre la boca y la nariz. ¿Crees que este remedio sea eficaz? Explica tu respuesta.
C1. Si, por que de hecho lo he experimentado en propia persona. Con este método no es pumet una inspiración y una exhalación en exceso, y putem, no se exhalaría más CO2 del que toca. Se sigue la reacción siguiente: H2CO3→ CO2 + H2O seguido. Si el H2CO3 se reduce, el pH disminuye por perder acidez. El CO2 que se desprende en la exhalación no altera el pH de la sangre, ya que… a inhalar para formar el ácido carbónico…
C4. Si, aunque algunos médicos no lo recomiendan. Creo que es eficaz porque el problema de la hiperventilación se debe a que entra demasiado oxígeno. Si colocamos una bolsa sobre la boca y nariz estaremos respirando aire con CO2, más pobre en oxígeno y esto ayudará a equilibrar el oxígeno en sangre, el CO2 y por lo tanto, el pH. Algunos médicos creen que la acumulación de CO2 podría ser excesiva utilizando este método.
C6. No porque las sustancias que respiras son las mismas que las que has eliminado.
M2. Sino cabalacamos CO2 debidamente, el pH disminuye. Si que sirve porque a la gente le va bien pero no sé porque: 1) porque puedes observar como inspiras y exhalas aire, entonces eres consciente que…
28
M5. Si. Cuando se respira rápido puede causar una deficiencia de CO2 en la sangre, esto reduce el nivel de ácido carbónico en la sangre y aumenta en pH. Si respira dentro de una bolsa de papel, aumenta la concentración de CO2 en el aire que inhala, obligando a ingresar más CO2 en la sangre. Normaliza el pH.
M6. Sí, ya que lo que se consigue colocando la bolsa es aumentar la cantidad de CO2 inspirado, ya que cada vez que respira (inspira y expira) la cantidad de O2 de la bolsa disminuye porque lo capta y la de CO2
aumenta porque lo libera en ésta. De esta manera se aumentan los niveles de CO2 en la sangre y, por lo tanto, se reajusta el nivel del pH.
M7. Puede ser eficaz porque la bolsa hace que no entre tanto aire al organismo y por tanto que el organismo no se hiperventile.
M10. Creo que no porque con la bolsa no dejas entrar oxígeno a los pulmones. Cuando expiramos, extraemos CO2 (entre otros), y si tenemos una bolsa puesta se llenará completamente de CO2 y no tendremos O2 para respirar, por lo tanto que encara seofegará más.
M11. Sí, porque la falta de CO2 en la sangre es detectada por el y responde inmediatamente con esta situación. Por eso la mejor manera de corregirlo es diciendo el impulso de respirar y colocando la bolsa nosotros absorbemos menos propio CO2 hasta que se vuelve a quedar el pH normalizado.
M12. Si porque algunos de los factores que hacen que la hiperventilación vaya a más es el exceso de oxígeno, por lo tanto, el hecho de taparse la boca y la nariz con una bolsa ayuda absorbamos nuestro propio CO2 y consigamos estabilizarnos de la alcalosis.
Las C y la M utilizadas como claves de identificación de alumnos se refieren a los grupos de Cristian Merino y Mercè Izquierdo respectivamente. Se hizo una lista de identificación de el alumno 1, 2, etc. de cada grupo (ver anexo).
29
Conclusiones En acuerdo con el marco de referencia de este estudio, al analizar los datos no se hizo hincapié en el concepto de equilibrio químico como tal, nos interesó identificar el uso que le dieron los alumnos en la explicación de los problemas planteados.
Por lo anterior, sólo nos interesó observar dos de las categorías identificadas en la evaluación diagnóstica (cuadro 6):
El 10.86 % de los alumnos identificación el equilibrio químico en situaciones cotidianas.
El 27.43 % de los alumnos caracterizan el estado de equilibrio.
El análisis de las respuestas de los alumnos a las situaciones problemáticas planteadas, arroja la siguiente información:
% correcto % incorrecto % no respondido Problema 1 40 30 30
Problema 2 40 60 0 Cuadro 7. Resultados de la evaluación de cierre.
Podemos concluir que el 40 por ciento (cuadro 7) de los alumnos utilizaron características del modelo de equilibrio químico para plantear respuestas a las situaciones problemáticas establecidas. Este porcentaje es superior al encontrado en la evaluación diagnóstica.
Podemos asegurar que el objetivo principal de la investigación se cumplió: con esta secuencia los alumnos se implicaron en el análisis de fenómenos químicos relevantes y significativos para ellos y se garantizó una dinámica que les permitió pensar, hacer y comunicar (en forma escrita) de manera coherente “según las reglas del juego de la química” (p. 14).
Con respecto al resto de los objetivos planteados:
1) diseñar y poner en práctica una secuencia didáctica que permita a los alumnos, profesores en formación de la Universidad Autónoma de Barcelona, identificar algunas de las características de los sistemas en equilibrio.
2) Identificar cómo mejora, la secuencia didáctica, el aprendizaje del equilibrio químico.
A pesar de que estamos planteando cambios en la dinámica de trabajo, podemos decir que estos dos objetivos están cumplidos.
30
El futuro de la investigación Para el trabajo de doctorado, seguiremos con el tema de equilibrio químico, aunque la perspectiva del estudio cambiará. Sin embargo estoy segura que la secuencia diseñada, con ciertos cambios en la dinámica y asegurando la disponibilidad de los reactivos, será de gran utilidad en la promoción de la motivación hacia el trabajo científico, también la consideramos de utilidad en el análisis de los sistemas de equilibrio químico y en el de disoluciones amortiguadoras.
Los cambios que proponemos, tienen que ver fundamentalmente con el manejo de los tiempos dedicados a cada una de las actividades y la precisión de las instrucciones para resolver las tareas propuestas para casa. En esta ocasión no fuimos lo suficientemente claros en dar las instrucciones y perdimos parte de esta información, particularmente en la primera parte de la actividad experimental.
Agradecimientos. La realización de los experimentos y la aplicación de los cuestionarios no hubieran sido posibles sin la colaboración de Cristian Merino. Las gráficas en MAXQDA fueron posibles por la asesoría de Francisco Ruiz. Mi agradecimiento especial a Teresa por su solidaridad sin reparo.
31
Bibliografía
♦ Adúriz-Bravo, A. Conferencias impartidas como parte de los cursos del Máster en Investigación de la Didáctica de las Matemáticas y las Ciencias, Universidad Autónoma de Barcelona, marzo 2009.
♦ Caamaño, A (2007). Modelizar y contextualizar el currículo de química: un proceso en constante desarrollo. En M. Izquierdo, A, Caamaño y M. Quintanilla (eds). Investigar en la enseñanza de la química. Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar. Universidad Autónoma de Barcelona.
♦ Gabel, D. (1999). Improving teaching and learning through chemistry education research: A look to the future. Journal of Chemical Education, 76(4), 548-554.
♦ Garritz, A., Raviolo, A. (2007). Analogías en la enseñanza del equilibrio químico. Educación Química, 18(1), 16-29.
♦ Huerta, Patricia (2008). ) Tesis de maestría, Facultad de Química, UNAM, México.
♦ Izquierdo, A. M. (2004). Un nuevo enfoque de la enseñanza de la química: contextualizar y modelizar, J. Argent. Chem. Soc., 92(4/6), 115-136.
♦ Izquierdo, A. M. (2007). Enseñar ciencias, una nueva ciencia. Enseñanza de las ciencias sociales, 6, 125-138.
♦ Izquierdo, M., Aliberas, J., (2004). Pensar, escriure y actuar a la classe de ciències. Per un ensenyament de les ciències racional i raonable. Cerdanyola: Servei Publicacions, UAB
♦ Del Carmen, Luis (2002), en: Perales, F. J. y Cañal, P., 2000. Didáctica de las ciencias experimentales. Editorial marfil: Alcoy, España. pp. 49-65.
♦ Moncaleano, H., Furió, C., Hernández, J. y Calatayud, M. L. (2003). Comprensión del equilibrio químico y dificultades en su aprendizaje. Enseñanza de las Ciencias, No. extra, pp. 111-118.
♦ Oliva, J. M. y Aragón, M. del M., (2009). Aportaciones de las analogías al desarrollo de pensamiento modelizador de los alumnos en química. Educación Química, vol. 20, No. 1, 41-54.
♦ Quílez, J. (2002). Aproximación a los orígenes del equilibrio químico: algunas implicaciones didácticas. Educación Química, 13 (2), 101-112.
32
♦ Raviolo, A., Garritz, A. (2007). Analogías en la enseñanza del equilibrio químico. Educación Química 18(1), 16-29.
♦ Van Driel, J., Gräber, W. (2002). The teaching and learning of chemical equilibrium. En Gilbert, J.K. et al (eds.) Chemical Educations: Towards Reseach-based Practice, Kluwer Academic Publishers, 271-292.
♦ Van Driel, J.H., De Vos, W., Verloop, N., & Dekkers, H. (1998). Developing secondary students’ conceptions of chemical reactions: the introduction of chemical equilibrium. International Journal of Science Education, 20, 379-392.
33
Anexo:
1. Cuestionario de diagnóstico.
2. Guía de observación experimental. Primera parte.
3. Guía de observación experimental. Segunda parte.
4. Cuestionario de cierre.
5. Claves de identificación de los alumnos.
Evalua
NOMBR
LAS SIGEN ESTTRANQUMUCHA
1. FerranalquimMontjmáxim
restaurasalir poquedanes una vevelocidaddisminuytiempo.un lapso procesoocupad
ación diag
RE: ________
GUIENTES PTA SEGUNDUILIDAD Y
AS GRACIA
n Adrià es comista de la oi, en Rosa
mo galardón
ante (cabeoco a poco vacíos. Sielocidad de d de salida,yendo y la Sin embargdeterminado
o está en as.
gnóstica.
__________
PREGUNTADA UNIDAY CONFIANS.
onsiderado pcocina” (¡qu
as, cerca de en esta espe
en 200 peo y los qui establecementrada y e
, podemos velocidad d
go, llega el mo y estas doun equilib
___________
AS TIENENAD DEL CNZA Y AN
por los especué casualidaGerona y l
ecialidad.
Sólode lade quantesdispodeci
Se dhace
ersonas) yue están a
mos que el núel número dedecir que ade salida esmomento enos velocidadebrio dinám
34
__________
N RELACIÓNCURSO. TENOTES TOD
cialistas, el chad!). Su resla guía Mic
abre seis ma comida. Elue las persos que las quonible antesidió observ
dio cuentaen rápida
y, al termia la esperúmero de come comensaleal inicio la s pequeña,
n que, salen yes se igualanmico y las
__________
N CON CON PEDIMOS
DAS LAS D
hef más famstaurante El helin lo dis
meses al año yl señor Adriáonas que llegue llegan a s de las trvar el mov
a que, los amente hinar de cora van ocumensales qu
es que sale pvelocidad pero aum
y entran el mn. Cuando es mesas e
FECHA ___
NCEPTOS QS LAS RESDUDAS QU
moso del munBulli, está
stinguió con
y siempre esá no entendígan a la una
las dos, nures de la tavimiento de
primeros hasta queomer, éstoupando loue entra por upor unidad dde entrada
menta confmismo númeesto sucede, están perm
__________
QUE VERESPONDAS UE TE SUR
ndo; lo llamasituado en tres estrell
stá lleno a laía porque, a de la tarde
unca hay unarde, y une los clien
que entrae se llenaos empiezaos lugares unidad de tide tiempo ees grande
forme pasero de clientse dice qu
manentem
____
EMOS CON
RJAN.
an “el Cala
as, el
a hora pesar salen
n sitio día tes.
an lo a el an a que empo s una y va
sa el tes en ue el
mente
35
La representación gráfica de esta situación quedaría como sigue:
Con base en el análisis del escenario que acabamos de describir:
a) Escribe qué entiendes por equilibrio dinámico.
b) ¿Qué factores deben coincidir para que se hable de la existencia de un equilibrio dinámico?
c) Da un ejemplo de otro sistema en equilibrio dinámico que reconozcas en tu entorno.
2. Una ecuación química no sólo informa de cuáles son los reactivos y productos, contiene más
información del fenómeno que representa. Analiza las siguientes ecuaciones químicas y describe toda la información que te brindan:
a)
)(42 gON ⎯→⎯ dv )(2 2 gNO
tiempo
Vel
ocid
ad a
la q
ue e
ntra
n y
sale
n lo
s co
men
sale
s
velocidad a la que entran: rápidamente se llena el restaurante
velocidad a la que salen: empieza lentamente pero después aumenta
36
b)
c) ¿Qué relación guarda este análisis con la historia del restaurante?
3. La lavandería del restaurante de Adriá está en la azotea del edificio. La semana pasada, el encargado de lavar manteles y servilletas, dejó dentro de la lavadora unos cuantos y la cerró. Cuando subió a recoger la mantelería colgada al Sol, se percató de los que habían quedado en la lavadora y al sacarlos se dio cuenta que aun estaban húmedos. No entendió porqué los colgados estaban perfectamente secos y los otros no, si a la lavadora le daba de igual manera el Sol. a) Con las gafas del equilibrio químico, ¿cómo le explicarías al
encargado lo sucedido?
b) Haz un dibujo de cómo crees que se comportan las moléculas de agua en la mantelería expuesta al Sol y en la que quedó dentro de la lavadora.
)(42 gON ⎯⎯← iv )(2 2 gNO
)(42 gON ⎯→⎯ dv
⎯⎯← iv )(2 2 gNO
c)
4. Acabeun
Aco
Ccadeeq
5. E
) ¿Cómo remantelería
Adrià no sóloamareros enebidas gaseona bebida de
Además de ontienen CO
on base en aliente?, ¿poestapamos equivalente a
scribe todas
epresentaríasa, en cada un
o cuida hastn la forma qosas se destaestapada y de
colorantes, O2 y agua. Y
esta informor qué no sael envase decuando se d
las dudas y
s, con ecuacina de las situ
ta el últimoque deben sapan en la meben perman
edulcorantese llevan a c
H2O
H2CO
HCO
mación, explabe igual si e cualquier
desinfla un g
preguntas q
37
iones químicuaciones?
o detalle de servir las bemesa del clienecen en el r
es y saboricabo los sigu
O + CO2
O3 H+ + H
O3- H+ + C
lica ¿por qulleva muchbebida gas
lobo?
que han venid
cas, lo que l
la comida, ebidas. Por ente que la prefrigerador
izantes, las uientes equil
H2CO3
HCO3-
CO3=
ué la Coca-Cho tiempo deseosa?, ¿por
do a tu ment
le sucede a l
ha instruidoejemplo, tod
pide, nunca todo el tiem
bebidas gaibrios quími
Cola no sabestapada?, ¿r qué se esc
te a lo largo
la humedad
o a los das las se deja
mpo.
aseosas icos:
be igual fría¿qué pasa cucucha un so
de esta activ
de la
a que uando onido
vidad.
38
Guía de observación experimental. Primera parte.
El pH y la concentración de iones
En el laboratorio hay disoluciones de ácido clorhídrico e hidróxido de sodio con una concentración 1 M. ¿Qué debes hacer para preparar 150 mL de HCl y de NaOH pero con concentración 0.1 M?
Coloca las disoluciones en vasos de precipitados y en un tercer vaso agrega 150 mL de agua destilada.
¿Qué iones tienes en cada uno de los vasos?
Agrega unas gotas de indicador universal a cada uno de los vasos que contienen las disoluciones.
¿Qué indican los colores de las disoluciones?
HCl: H2O: NaOH:
39
¿Sabes qué es la nieve carbónica (hielo seco) y a qué temperatura se encuentra?
¿Qué pasará si le agregamos nieve carbónica a las disoluciones?
HCl:
H2O:
NaOH:
Hagámoslo, pero antes separa en los tubos de ensayo un poco de cada una de las disoluciones que tienes en los vasos y etiquétalos.
Agrega hielo seco y ve anotando los cambios que observes:
HCl:
H2O:
NaOH:
40
En equipo, busquen posibles explicaciones a estos cambios:
¿Qué se forma cuando la nieve carbónica reacciona con el agua?
CO2 (s) + H2O (l) →
Ahora, ¿qué iones tienes en cada vaso?
¿Cuánto de cada ión?
Utiliza los símbolos >, = y < para indicar cuánto de cada ión tienes en los vasos, en el siguiente cuadro:
Disolución A cualquier temperatura
A 25ºC
Ácida [H3O+] [OH-] [H3O+]
Neutra [H3O+] [OH-] [H3O+] = 10-7 mol L-1
Básica [H3O+] [OH-] [H3O+]
41
La escala de pH:
1
2
3
4
5
6
10-7
7
8
9
10
11
12
13
14
aumento de acidez aumento basicidad
pH más bajo, ácido más fuerte pH más alto, base más fuerte
42
Guía de observación. Actividad experimental. Segunda parte.
Nombre: _______________________________ Fecha: ____________
Experimento con nieve carbónica.
1) ¿Qué iones están presentes en cada uno de los vasos?
Disolución ácida
Disolución neutra
Disolución básica
2) Con base en los cambios de color del indicador universal, ¿cómo se comporta en pH de las disoluciones al agregarles más ácido o más base?
Más ácido Más base
Disolución ácida
Disolución neutra
Disolución básica
3) Propón una explicación a estos cambios:
4) ¿Cómo explicas el hecho de que una de las disoluciones no cambie el valor de pH al agregarle más ácido o más base?
43
Cuestionario de cierre.
Nombre: _______________________________ Fecha: ____________
NOTA: Para que el estudio que estamos realizando tenga resultados confiables, es muy importante que respondas las preguntas de esta actividad en forma individual. Puedes consultar libros, revistas, apuntes, etc. Te agradecemos tu colaboración.
Con base en los resultados del experimento con nieve carbónica, analiza la siguiente situación y responde las preguntas que se plantean.
La importancia del pH en la salud humana
Los ácidos y las bases afectan nuestra salud de forma muy importante aunque en apariencia sutil. Muchas de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los sistemas vivos son extremadamente dependientes y sensibles al pH: un gran número de las enzimas que catalizan las reacciones bioquímicas son eficaces sólo dentro de un estrecho intervalo de pH. Por otro lado, si la acidez de la sangre cambia demasiado, ésta pierde su capacidad para transportar oxígeno.
La sangre humana es prácticamente neutra, tiene un pH que siempre está entre el 7,35 y 7,45. Cuando el pH sanguíneo baja de 7,35 se presenta un trastorno llamado acidosis y cuando el pH es mayor de 7,45, el trastorno se denomina alcalosis. La acidosis es la tendencia más común porque el metabolismo humano genera varios ácidos que disminuyen el valor del pH sanguíneo. Si el pH de la sangre disminuye por debajo de 6,8 o si se eleva a más de 7,8 se puede producir un coma y, en algunos casos, hasta la muerte.
1) ¿Cómo es que el organismo puede mantener dentro de un intervalo tan estrecho el valor del pH de la sangre? Propón una posible respuesta:
2) El pH de la sangre es muy cercano a la neutralidad, ¿qué debe hacer nuestro organismo para mantenerlo así si recibimos más ácidos que bases?
44
El cuerpo humano logra este control por la operación interactiva de tres sistemas: el respiratorio, el urinario y un mecanismo regulador o amortiguador del pH.
3) ¿Qué es y qué función cumple un sistema amortiguador del pH?
El sistema amortiguador más importante en el control del pH sanguíneo consiste de una mezcla de iones bicarbonato, HCO3- y ácido carbónico, H2CO3. Cuando un ácido entra en la sangre, se disocia:
4) ¿Qué iones produce?
5) ¿Qué efecto tienen estos iones en el pH de la sangre?
El sistema respiratorio participa en el control del pH sanguíneo regulando la eliminación de moléculas de dióxido de carbono (CO2) y de agua (H2O) que exhalamos al respirar y que se forman a partir del ácido carbónico que se formó en la sangre en el paso anterior. Escribe la ecuación química que representa este proceso:
6)
Entre más moléculas de dióxido de carbono y de agua se exhalen, se eliminará más ácido carbónico de la sangre y el pH aumentará a valores más básicos. Explica, con ecuaciones químicas, esta afirmación:
7)
Tenemos centros receptores cerebrales sensibles a la concentración de H3O+ y CO2 en los fluidos corporales. Cuando la concentración de CO2 sube, los
45
receptores activan un reflejo para que la respiración sea más rápida y profunda, con lo que aumenta la rapidez de eliminación de CO2 de los pulmones.
8) Problema 1. Durante los periodos de esfuerzo extenuante, cuando los tejidos no tienen oxígeno suficiente, se producen otros ácidos como el ácido láctico, que hace que el pH sanguíneo disminuya y esto estimula un aumento en la rapidez de la respiración. ¿Para qué se produce este aumento y de qué manera nos ayuda a mejorar nuestro estado de cansancio?
9) Problema 2. Algunas veces, cuando las personas sufren ataques de pánico, o respiran muy rápido y no realizan la exhalación debidamente, se hiperventilan y sienten hormigueo, mareos, palpitaciones, etc. Esto se debe a que el pH de la sangre se altera. Uno de los remedios que se recomiendan para mejorar esta situación es respirar durante unos minutos colocando una bolsa de papel sobre la boca y la nariz. ¿Crees que este remedio sea eficaz? Explica tu respuesta.
46
CLAVE DE IDENTIFICACIÓN DE LOS ALUMNOS
GRUPO DE CRISTIAN. FECHA DE APLICACIÓN: 20 DE ABRIL DE 2009 C1. María Barragán i García C2. Ana Mayans Pons C3. Dani Rodellas Narbona C4. Sara Ribas Balcells C5. Laia Navarro Capilla C6. Neus Valls Torvella
GRUPO MERCÈ. FECHA DE APLICACIÓN: 30 DE ABRIL DE 2009
M1. Marta Boixader Mases M2. Lidia Puig Nieto M3. Sara Heras i Andreu M4. Erica Rivas Lara M5. Miquel Bahamartes M6. Raquel Fernández Fernández M7. Alba Castro Pérez M8. Alba Portero Saldaña M9. Judith Sánchez Lívico M10. Marta de Haro Plana M11. Adriana García Cornejo M12. Irene Macedo Rodríguez
