Introducción

En las últimas décadas, los educadores e investigadores del campo de la educación en ciencias han visto con gran preocupación la dificultad de los estudiantes para alcanzar un aprendizaje por comprensión conceptual e integrada de temas específicos. De allí que se hayan buscado alternativas de solución desde distintas perspectivas que a la postre no han impactado las aulas de manera efectiva (^{Candela, 2016}; ^{Nuthall, 1999}). Prueba de ello se tiene en los resultados desalentadores de los estudiantes en distintas pruebas estandarizadas para matemáticas y ciencias, como RISA y TIMSS¹. Se destaca que a partir de este último estudio se ha identificado la coherencia curricular como una de las variables fundamentales que permiten predecir el éxito de los estudiantes en ciencias (^{Schmidt, Wang y McKnight, 2005}).

De hecho, en el diseño colombiano de muchos de los materiales instruccionales de ciencias, llama la atención el elevado número de tenas con profundidad insuficiente y falta de coherencia entre diferentes aspectos de la enseñanza como son: las metas de aprendizaje, las prácticas científicas, el diseño curricular de los contenidos, las estrategias instruccionales, las actividades de aprendizaje y las formas de evaluar las ideas científicas, entre otras (coherencia intraunidad).

Así pues, la problemática curricular recogida por los materiales instruccionales es una consecuencia directa de no tener en cuenta de manera explícita las teorías educativas de perspectivas generales y específicas de las ciencias naturales² durante el proceso de diseño (p. ej., las teorías del aprendizaje, la pedagogía general, las teorías del diseño instruccional, y la literatura en ciencias). Como alternativa, el diseño de ambientes de aprendizaje de temas específicos informados por esta clase de teorías de naturaleza genérica, le permite al diseñador o profesor establecer de manera sistemática las relaciones entre los elementos de la enseñanza, para superar la falta de coherencia intra e intercurricular (^{Reigeluth, 1999}; ^{Wiley, 2000}).

Por otro lado, los estudios de diseño de ambientes de aprendizaje de temas específicos tienen como uno de sus propósitos claves ayudar a disminuir la ruptura existente entre la teoría proveniente de la investigación educativa y la práctica del diseño y la enseñanza (^{Lagemann, 2002}; ^{Levin y O'Donnell, 1999}; ^{National Research Council [NRC], 2002}). Para ello, el diseñador a lo largo del proceso de diseño toma la decisión de seleccionar los elementos teóricos provenientes de las teorías de naturaleza general y específica que estén alineados con el tema en consideración, con el fin de apoyar la toma de decisiones curriculares e instruccionales, las cuales posteriormente se traducirán en la estructura lógica del material instruccional en mención.

Pasando al plano disciplinar, llama la atención que la compleja situación enunciada hasta ahora, es común para el diseño de ambientes de aprendizaje de los temas de las distintas áreas de las ciencias naturales y tiende a acentuarse en la química. Punto de vista reconocido desde tiempo atrás por distintos educadores e investigadores del campo de la educación en ciencias (^{Furió, Azcona y Guisasola, 2002}). Así pues, las ideas que configuran la estructura lógica de dicha disciplina resultan ser de un nivel alto de complejidad para su comprensión conceptual, destacándose la estequiometría. Naturalmente, esta idea es considerada difícil de internalizar como consecuencia de su alta naturaleza abstracta, la gran cantidad de conceptos que deben relacionarse, la dependencia de conocimientos que son requisito y la exigencia en los estudiantes de asociar y representar la materia así como sus interacciones a partir del lenguaje multinivel (^{Gabel, 1998}).

Como respuesta a la problemática descrita, en las últimas décadas ha emergido desde la línea del diseño instruccional la perspectiva de las progresiones de aprendizaje hipotéticas (HLP). Efectivamente, este instrumento resulta pertinente para el diseño de un material instruccional de la gran idea de la estequiometría, dotado con los atributos necesarios en cuanto a coherencia intraunidad, ya que permite la alineación de elementos esenciales como: los conocimientos que son requisito, las subideas derivadas de los distintos estándares del tema en consideración, las prácticas científicas y las metas de aprendizaje, entre otros.

Tomando en consideración los anteriores presupuestos, este estudio tiene como propósito dar respuesta al siguiente interrogante de investigación: ¿Cómo diseñar una progresión de aprendizaje con coherencia curricular, que le permita al estudiante alcanzar una comprensión conceptual e integrada de la gran idea de la estequiometría?

Antecedentes

En la literatura existente sobre educación en ciencias, no se ha evidenciado la existencia de una progresión de aprendizaje hipotética (HLP) para la enseñanza de la estequiometría. A la fecha, se han desarrollado un limitado número de progresiones de aprendizaje para algunos tópicos específicos relacionados con la química, entre los que se destacan los siguientes:

En primer lugar, el trabajo realizado por ^{Smith, Wiser, Anderson y Krajcik (2006)}, el cual sienta un precedente sobre el uso de las HLP en el campo de la educación en química, ya que aborda el desarrollo de una progresión de aprendizaje para la enseñanza de la teoría atómica y molecular de la materia. Dicha investigación se centra en la manera en la cual los estudiantes razonan y aprenden en torno a grandes ideas, como base para llegar a un aprendizaje significativo, introduciendo además el concepto de desempeños de aprendizaje. También, la investigación contribuyó en la construcción de la HLP para la estequiometría, al servir como referente en aspectos como el diseño y la secuenciación de las grandes ideas a partir de los estándares de competencias, así como en la elaboración de desempeños de aprendizaje y la evaluación formativa.

Un segundo trabajo, adelantado por ^{Stevens, Delgado y Krajcik (2010)} describe los esfuerzos por desarrollar una progresión de aprendizaje hipotética (HLP) para estudiantes de 7 a 14, sobre la estructura, comportamiento y propiedades de la materia, así como sus relaciones a nano escala, con la ciencia y la ingeniería (NSE). La progresión se construyó a partir de datos empíricos que caracterizan la forma en la cual los estudiantes usualmente desarrollan su conocimiento, como parte de la elaboración y refinamiento de la HLP. En este trabajo se usó como metodología el diseño centrado en el constructo (CCD), el cual sirve de referente para el desarrollo de la HLP sobre la estequiometría, ya que considera aspectos como: anclajes inferior y superior, metas de aprendizaje, evidencias y actividades de aprendizaje, así como niveles intermedios.

Marco conceptual

La investigación basada en el diseño es un paradigma emergente para el estudio del aprendizaje en contextos específicos. Esta clase de investigación es de carácter formativo, y tiene como fin diseñar, implementar y evaluar ambientes de aprendizaje para generar teorías de dominio específico. Su estructura se fundamenta en el diseño sistemático, el estudio de estrategias instruccionales y herramientas, que buscan disminuir la brecha existente entre la investigación en el campo educativo y los problemas de aprendizaje en contextos reales (^{Brown, 1992}; ^{Collins, 1992}). Como producto de dicha investigación, han surgido distintas perspectivas de diseño cuyo propósito central es asistir a los estudiantes en la comprensión conceptual e integrada de las grandes ideas dentro y a lo largo de los grados. Entre ellas pueden mencionarse: los corredores conceptuales, las teorías del diseño instruccional, las trayectorias conceptuales (^{Driver, Leach, Scott y Wood-Robinson, 1994}), los corredores de desarrollo (^{Brown, 1997}), las secuencias de enseñanza y aprendizaje (^{Ametller, Leach y Scott, 2007}) y las progresiones de aprendizaje (NRC, 2007). Se destaca que el presente estudio está enmarcado dentro de la perspectiva de las progresiones de aprendizaje a pequeña escala.

Un aspecto clave en el diseño de ambientes de aprendizaje es la coherencia curricular de los materiales instruccionales. De hecho, se le ha considerado uno de los factores determinantes para el éxito de los estudiantes tanto en sus procesos de aprendizaje, como en su desempeño en ciencias naturales en el momento de participar en pruebas estandarizadas, bien sea a nivel nacional o internacional.

En este sentido, la coherencia curricular presupone el avance progresivo de las grandes ideas, dentro de un mismo nivel y a través de los diferentes grados de escolaridad, hacia formas de pensamiento cada vez más sofisticado en la estructura de las disciplinas, alcanzando cada vez mayor profundidad. Específicamente, la coherencia intraunidad se enfoca hacia la alineación entre el contenido de las metas de aprendizaje, las prácticas científicas, las actividades de aprendizaje, las estrategias instruccionales y las formas de evaluación, aspectos centrales en el diseño de la presente HLP.

En cuanto a las progresiones de aprendizaje puede decirse que como una de las perspectivas de los estudios de diseño, se ha empezado a considerar un enfoque de diseño emergente dentro del campo de la educación en ciencias, razón por la cual la literatura existente sobre el tema aparece publicada principalmente a partir del año 2009 (^{Duschl, 2011}, p. 124). Se destaca que, al igual que los otros enfoques sobre el diseño de ambientes de aprendizaje, este tiene su génesis desde los experimentos de enseñanza y los estudios de entrevista clínica.

A pesar de que aún no existe un consenso entre la comunidad de investigadores sobre la definición de las HLP, puede decirse que son

descripciones de formas sucesivamente más sofisticadas de pensamiento acerca de un tema, el cual forma parte de una secuencia, de acuerdo con el proceso de aprendizaje e investigación por parte de los estudiantes. Dicho proceso puede darse en periodos de tiempo tan extensos como seis u ocho años. (NRC, 2007, p. 213).

En este sentido, se puede afirmar que las progresiones de aprendizaje son estudios de diseño que pretenden integrar los principales componentes del currículum de ciencias, con el fin de conseguir una estructura coherente en todas sus dimensiones. De esta manera, buscan dar respuesta a la falta de alineación entre el diseño curricular, los materiales para la enseñanza, la práctica pedagógica y la evaluación.

Entre los principales componentes de las HLP se destaca la existencia de dos tipos de anclaje, uno inferior y otro superior, entre los cuales se halla una serie de niveles intermedios a través de los cuales discurren en secuencia las grandes ideas, sin que por ello deba asociarse con un carácter lineal. Adicionalmente, se incluyen elementos como ideas centrales, estándares de contenido, estándares de indagación, desempeños de aprendizaje y metas de aprendizaje. Entre sus ventajas, puede mencionarse que su estructura permite caracterizar mejor a los estudiantes, razón por la cual resulta pertinente para un estudio de ocho semanas, como es el propósito de la presente propuesta (^{Cataño, 2016}).

Desde una perspectiva epistemológica, la HLP de la estequiometría está fundamentada a partir de marcos teóricos de tres categorías. Unos de tamaño de grano grueso que tienen un carácter explicativo y buscan ilustrar la manera como aprende un sujeto. Otros de tamaño de grano medio relacionados con el origen de las HLP y, finalmente, las herramientas de diseño que también incluyen teorías de tamaño de grano grueso y fino para convertirse en uno de los principales instrumentos que asisten al diseñador instruccional a lo largo del diseño de la HLP. En otras palabras, iluminan la toma de decisiones curriculares e instruccionales (véase tabla 1).

Tabla 1 Marcos teóricos que fundamentan las LP. 

Fuente: elaboración propia.

En lo referente al aspecto disciplinar, la gran idea de la estequiometría constituye uno de los principales tópicos de la química a nivel de educación media. Su aprendizaje, representa un desafío para maestros y estudiantes, dado su alto nivel de complejidad, ya que implica el conocimiento de varios aspectos relacionados con procesos de abstracción demandantes para los aprendices, por ejemplo, el concepto de mol y el esquema de la proporcionalidad. En este sentido, se ha comenzado a considerar que el aprendizaje por comprensión conceptual e integrada de dicha idea, necesita de la articulación tanto en el diseño como en la implementación de los siguientes elementos: contenido de la estequiometría, esquemas de la conservación de propiedades no observables y proporcionalidad y las prácticas científicas (^{Candela, 2012}; ^{Pozo y Gómez, 1998}).

Para que los estudiantes logren un aprendizaje por comprensión conceptual e integrada de la gran idea de la estequiometría, deben converger en las actividades de aprendizaje los tres elementos mencionados. Así pues, es necesario que exista una base sólida, cimentada sobre los esquemas conceptuales de la química, para que puedan desarrollarse de manera concomitante los conceptos relacionados con la estequiometría y las prácticas científicas. Esto significa que el estudiante, de manera previa, debe tener un mínimo dominio de esquemas como interacción sistémica, conservación de propiedades no observables, equilibrio y proporcionalidad (^{Pozo y Gómez, 1998}). Dichos esquemas, podrán desarrollarse con mayor profundidad al avanzar a través de las subideas en las que se ha dividido la estequiometría para facilitar su aprendizaje.

Las subideas mencionadas son: (1) cambio químico, (2) ley de la conservación de la masa, (3) reactivo límite, (4) rendimiento de una reacción química y (5) pureza de un reactivo. En el desarrollo de cada una, paso a paso, se presentan nuevos desafíos para los aprendices, que les brindan la oportunidad de avanzar hacia formas más sofisticadas de pensamiento. Esto, gracias a la secuencia y profundidad de los contenidos, donde además se ha tenido en cuenta la edad de los estudiantes, sus concepciones alternativas y sus conocimientos requisito.

Metodología

Direccionados por el problema de investigación, se ha tomado la decisión de asumir dos fases de recolección y análisis de datos para el diseño sistemático de la HLP. Así, la primera fase tiene como tarea central elucidar los principales elementos teóricos y metodológicos que subyacen a este enfoque de diseño y, además, construir el marco conceptual de esta investigación, para lo cual se ha llevado a cabo un análisis de contenido desde la perspectiva de ^{Krippendorff (1990)} haciendo uso de rejillas de análisis. En la segunda fase se realiza una descripción del proceso de diseño de la HLP de la estequiometría tomando como referencia los principios de diseño y las secciones que configuran la estructura de la HLP (p. ej., selección de la gran idea; descomposición de la gran idea en subideas; metas de aprendizaje; diseño, selección, secuenciación y temporalización de actividades de aprendizaje; entre otros), para ello, también se utiliza la técnica de análisis de contenido, pero desde un enfoque inductivo. Es decir que se efectúa una lectura sistemática a las respectivas unidades de contexto, con el fin de obtener información que se encuentre alineada con cada una de las diferentes secciones que configuran la HLP y, de esta forma, construir unas teorías de dominio sobre la enseñanza y aprendizaje de la estequiometría.

Ahora bien, a lo largo de ambas fases, el análisis de contenido se lleva a cabo por medio de una lectura sistemática, reflexiva, crítica, objetiva, replicable y validada de todo el corpus de información contenido en las unidades de contexto. Así pues, a cada una de dichas unidades se le hace un proceso de codificación abierta y axial (^{Strauss y Corbin, 2002}), con el fin de ordenar conceptualmente la información contenida en las fuentes documentales y generar una teoría que dé solución a la pregunta de investigación.

En la realización del análisis documental se tuvieron en cuenta para la unidad de muestreo los artículos y capítulos de libros, relacionados con las HLP y con la educación en química. Adicionalmente, en la segunda fase debió realizarse una revisión de los lineamientos curriculares y los estándares básicos de competencias nacionales e internacionales en relación con el currículum prescrito. Desde dichos elementos, se concibió la estructura general de la HLP, la cual se divide en cuatro secciones (véase tabla 2).

Tabla 2 Secciones de la progresión de aprendizaje hipotética (HLP). 

Fuente: elaboración propia.

Resultados y análisis

En la presente sección, se explicitan los resultados arrojados como producto del proceso de análisis documental de las distintas unidades de muestreo relacionadas con el diseño de la HLP de la estequiometría. En este sentido, se obtuvieron tres resultados. El primero es el marco teórico de la HLP mencionado arriba; el segundo, las teorías de dominio específico para la enseñanza de la estequiometría que se representan y documentan en una estructura de cinco secciones³, y el tercero consistente en el material instruccional informado por las teorías de dominio, que además cuenta con una interfaz ubicada en el sitio http://roosvelt7.wix.com/estequiometria.

Tabla 3 Teorías de dominio específico para la enseñanza de la estequiometría. 

Fuente: elaboración propia.

Conclusiones

Si bien, las teorías del aprendizaje tienen un carácter descriptivo en la medida en que buscan explicar la manera en la cual los individuos aprenden, también contribuyen a construir teorías prescriptivas como las teorías de dominio específico. Estas últimas tienen la facultad de direccionar la elección de los métodos instruccionales que se pueden emplear para el logro de metas de aprendizaje determinadas. De allí que las HLP resulten útiles como herramientas para orientar las rutas que permiten a los aprendices alcanzar niveles progresivamente más sofisticados de comprensión de las grandes ideas de la ciencia.

En cuanto a explicitar, documentar y representar a través de la HLP la serie de teorías de dominio específico que se encuentran alineadas con la gran idea de la estequiometría, se llegó a las siguientes conclusiones:

En este estudio de diseño, para ayudar a solucionar el problema de la enseñanza de la estequiometría en la escuela secundaria, se seleccionaron de manera deliberada una serie de elementos teóricos y metodológicos provenientes de la literatura basada en la investigación. Así pues, se indagó en los cuerpos de conocimientos que constituyen las teorías derivadas de la investigación educativa (p. ej., teorías del aprendizaje, pedagogía general, modelo de reconstrucción educativa., uso del lenguaje desde la perspectiva de Vygotsky y Bajtín, niveles de representación de la química, relación sinérgica entre los elementos que componen la estequiometría), con el fin de sustentar la toma de decisiones curriculares e instruccionales que le brindarían la posibilidad al estudiante de alcanzar un aprendizaje por comprensión conceptual e integrada de la gran idea de la estequiometría.

Por tanto, al conjunto de proposiciones que sustentan la toma de decisiones curriculares e instruccionales para el aprendizaje de la estequiometría se le denomina teorías de dominio específico o teorías humildes, las cuales se encuentran estrechamente vinculadas con la gran idea en cuestión. Desde luego que una característica inherente de estas teorías hace referencia al establecimiento de una relación coherente entre los elementos de la enseñanza, tales como: esquemas conceptuales de la química, gran idea de la estequiometría, conceptos transversales y prácticas científicas; situación que le confiere una coherencia intracurricular a la HLP de la estequiometría.

Por otro lado, estas teorías desempeñan un papel crítico durante el desarrollo del material instruccional, considerando que informan e iluminan la materialización del conjunto de actividades de aprendizaje debidamente seleccionadas, secuenciadas y temporalizadas.

Para representar y documentar la teoría que funda tanto la toma de decisiones curriculares e instruccionales, como a las intenciones de diseño, se construyó un formato a partir de los elementos de diseño propios de los enfoques relacionados con la línea de investigación de los estudios de diseño. De esta manera, ha sido posible representar el contenido teórico de la HLP para la enseñanza-aprendizaje de la estequiometría. Dicha contribución al campo del diseño instruccional, sienta un precedente dentro de la línea en mención, lo cual constituye un potencial referente para el desarrollo de trabajos similares en un futuro.