Entonces, la evolución conceptual depende de las variables ("representación transversal", "representación longitudinal" y al combinarlas dan la "representación evolutiva") que responden a los parámetros de innovación (explicaciones descriptivas) y normatividad (explicaciones causales). Desde el planteamiento evolucionista y para comprender el contenido, es necesario destacar las siguientes teorías: teoría del humus, teoría del intercambio gaseoso, teoría de la fotosíntesis como único proceso, teoría de nutrición de las plantas e independencia de la respiración como teoría de intercambio gaseoso, teoría de la combustión y la teoría de especiación que demuestra la interdependencia de los procesos a partir de las teorías de Hill, Calvin, Krebs y quimiosmótica. Además, es importante demostrar cómo estas han sufrido cambios conceptuales de forma gradual para la consolidación de teorías en los procesos de fotosíntesis y respiración.

Es fundamental que el componente estrategia didáctica responda a la construcción de conocimiento de ciencia escolar. Es por esto que el incorporar la resolución de problemas (RP) como actividad de investigación y proceso intelectual necesario para aprender ciencia en el aula debe dirigirse a la capacidad de enfrentar situaciones cotidianas con el propósito del cambio y evolución en los contenidos y comprensión sobre la naturaleza de la ciencia, involucrando las concepciones alternativas e históricas (Caballer, 1994; Pozo y Gómez, 1994). Esta estrategia debe incorporar los trabajos prácticos de laboratorio (TPL) en función del requerimiento de aprendizaje y como simuladores de la misma actividad científica (Gil y Valdés, 1996). Estos permiten que los objetivos sean inteligibles y mediadores entre el análisis científico y el análisis didáctico.

Por último, el componente de estrategias de evaluación busca la construcción y utilización de instrumentos para diagnosticar y evidenciar la evolución y la culminación del proceso de enseñanza y aprendizaje. El conjunto de actividades problemáticas y experimentales (UD) desde su orden lógico-histórico, y la secuencialidad y complejidad para desarrollar el aprendizaje del estudiante, según Sanmartí (2002), se convierten en los criterios para la evaluación formativa, siempre y cuando el estudiante distinga, comprenda y comparta lo aprendido con los demás; de lo contrario, el docente debe rediseñar las actividades. Además, la inclusión de instrumentos pretest y postest e instrumentos de seguimiento, permiten al estudiante valorarse a sí mismo, valorar al otro y ser valorado por otro, dado que toda actividad debe incluir los juicios de valor.

En esta intervención investigativa cualitativa en enseñanza y aprendizaje se recurrió al diseño metodológico de estudio de casos, de tipo instrumental (véase la figura 1). Es importante señalar que en el contexto escolar, para interpretar la producción de datos, explicaciones y conductas observables en los contenidos y escenarios de aprendizaje como un todo de un contexto histórico y situacional (Stake, 1998), se requiere elaborar y rediseñar instrumentos para adaptarlos a las características de los estudiantes. Para esta investigación, las pruebas piloto y los diagnósticos se realizaron en octubre de 2010 y la ejecución o aplicación durante los tres periodos académicos del 2011. Cabe decir que el diagnóstico de Afanador (2009) y los hallazgos previos a esta investigación en actitudes hacia la ciencia y actitudes de aprendizaje y concepciones alternativas sobre la fotosíntesis y la respiración publicados por Afanador y Mosquera (2012 y 2013, respectivamente), justificaron el diseño metodológico y la aplicación de la unidad didáctica (véase http://es.slideshare.net/DidacticaCienciasUAC/unidad-didctica-13439242) y demás instrumentos, como alternativa de solución a nuestro problema de investigación.

Los instrumentos empleados requirieron del soporte o fundamento teórico, para el cual se seleccionaron investigadores como Sánchez y Valcárcel (1993), De Pro (1999) y Sanmartí (2002) para el diseño de la UD. Además, se incluyó la visión Toulminina para construir la red sistémica y demostrar la coexistencia de explicaciones científicas en la historia de la ciencia sobre el concepto de fotosíntesis y respiración en plantas. Según Toulmin (1977), en la "dinámica científica", el cambio conceptual depende de las variables "representación transversal" y "representación longitudinal", que al combinarlas dan cuenta de la "representación evolutiva" o explicaciones normativas o causales. En la figura 2 se representa la evolución conceptual; allí se evidencia la coexistencia de teorías y la aparición de "buenas razones" o "casos nebulosos" que responden a las diferentes clases de explicaciones y cómo estas han sufrido cambio conceptual de forma gradual para la consolidación de teorías. El propósito de la UD fue relacionar el momento histórico-teórico del estudiante (concepciones alternativas) y el desarrollo filogenético por el cual debe transitar (secuencia de actividades) para comprender el concepto y avanzar en el aprendizaje.

Para el caso de los otros instrumentos, como el informe de laboratorio, se tuvo en cuenta a Chamizo (2009). Mientras las entrevistas de escala fueron adoptadas y adaptadas de las investigaciones de Adúriz-Bravo (2001), Leymonié (2009), Charrier, Cañal y Rodrigo (2006), Vázquez y Manassero (1997), Manassero y Vázquez (2001), Gargallo et ál. (2007), Pozo y Gómez (1994) y Del Carmen (2006), con el propósito de analizarlos a partir de comparaciones de cambio en los ítems. Se recurrió a la triangulación en el tiempo (Cohen y Manion, 1990) de tipo secuencia lineal-histórica para la síntesis de los casos de estudio.

La investigación y aplicación de los instrumentos se realizó en el colegio Charry IED de la localidad décima de la ciudad Bogotá, donde se intervino el grado séptimo de básica secundaria. Participaron 26 mujeres y 18 hombres, cuyas edades oscilan entre los 12 y los 15 años, de los cuales se seleccionaron tres casos al azar.

Resultados y discusiones

En el contenido actitudinal hacia la ciencia, se identificó (tanto en Laura como en los otros dos casos) una tendencia favorable hacia las categorías imagen de ciencia y medioambiente en el pretest y en el postest. Los estudiantes consideraron que la ciencia es importante para la sociedad, para el desarrollo de un país, y se traduce en mejores oportunidades para las generaciones futuras. También opinan que la ciencia puede resolver los problemas del medioambiente y ven la necesidad de aprender sobre ella para aumentar el aprecio por la naturaleza. En la figura 3 se describen las categorías ciencia escolar y disciplina de estudio, del caso Laura.

En la figura 3 se compara la dispersión de los indicadores de actitudes hacia la ciencia, antes y después de la intervención con la unidad didáctica. De acuerdo con los indicadores rojos (después de la intervención), Laura presenta cambios en ciertos indicadores que afectan en especial la categoría de actitudes disciplina de estudio. Es decir que la unidad didáctica (conjunto de actividades) que tiene una intencionalidad en el proceso de aprendizaje modifico la pasión por la ciencia, en especial la biología, o el interés por estudiar y laborar en el campo de las ciencias biológicas. Este cambio es por causa de los indicadores it13 ("la ciencia escolar me ha abierto los ojos a nuevos y excitantes mundos") e it22 ("la ciencia escolar me ha demostrado la importancia de la ciencia para nuestra manera de vivir") que cambiaron a una tendencia indecisa.

Al afirmar, en el caso Laura, que hubo cambios en ciertos indicadores, y presenta una predisposición positiva hacia la ciencia, es importante considerar que las actitudes hacia la ciencia dependen de las actitudes de aprendizaje. Por lo tanto es importante identificar las actitudes de aprendizaje hacia la Biología.

En el caso Laura, en la figura 4 se presenta la dispersión de tendencia después de la intervención con la unidad didáctica. De acuerdo con los indicadores actitudinales expuestos, están divididos en los siguientes grupos: tendencia aprendida positiva (muy favorable y favorable) y tendencia aprendida con dificultad (indecisa).

Como se ve en la figura 4, el indicador it6 ("desarrollo cosas originales en las actividades de aprendizaje de biología") con tendencia aprendida con dificultad, se ve afectado debido a que las habilidades en la resolución de problemas son adquiridas de forma inmediata, como lo demuestran sus indicadores actitudinales (it12, "al resolver un problema hago un plan", e it14, "me gusta trabajar en un problema difícil de Biología"). Esto afecta la motivación de la estudiante repercutiendo en el esfuerzo personal (it19, "encuentro nuevas cosas en Biología para estudiar sin ayuda", e it20 "estudio situaciones desconocidas para tratar de entenderlas"). Y en el trabajo en equipo, como lo demuestran los indicadores it27 e it29 ("mi trabajo en el aula es constante y enriquece al grupo o equipo de trabajo" y "tengo buena disposición para la construcción y presentación de informes de laboratorio", respectivamente).

Es importante agregar dentro de estos resultados actitudinales los juicios de valor de los casos de estudio, puesto que estos ratifican los cambios o progresos que han logrado los estudiantes participantes en su proceso de aprendizaje al desarrollar las actividades de la UD. En consecuencia, para dar una mayor interpretación a estos juicios de valor se agruparon en núcleos de actividades.

En la figura 5 se indica en el primer núcleo (actividades problémicas sobre la historia de la ciencia) una motivación intrínseca positiva de Laura en las actividades. Los juicios de valor expresados resaltan el contenido actitudinal de aprendizaje hacia la biología. Esta motivación intrínseca de aprendizaje dependió de la atracción con que fueron construidas las actividades históricas sobre la fotosíntesis y la respiración de las plantas ("me gustó lo que investigaron, lo que hicieron [los científicos] fue muy divertido"), lo que permitió un progreso en el contenido procedimental (fue fácil encontrar la información) y la evolución conceptual ("cambié mis concepciones").

En el segundo núcleo (problemas experimentales), la motivación intrínseca disminuyó puesto que sus actitudes de aprendizaje, en especial las de resolución de problemas, fueron afectadas por el contenido procedimental, como lo demuestran sus juicios de valor ("no podía entender el problema al principio" y "dificultad en hacer las actividades").

En el núcleo actividades problémicas se identifica una evolución positiva en la motivación intrínseca puesto que esta no fue afectada por factores externos (la actitud de los compañeros ante las actividades); por el contrario, adquirió aprendizajes de ciencia escolar como la tolerancia, la participación y la comunicación. Esta evolución inició con la dificultad del contenido procedimental ("actividades un poco difíciles" y "no sabía con qué materiales hacerlos") hasta llegar a lograr el éxito en la actividad ("me siento más libre de expresarme"), como lo demuestra su actitud de aprendizaje ("me pareció muy bonito").

De acuerdo con los juicios de valor de Laura, se establece que la motivación intrínseca es esencial en la evolución de los aprendizajes, de tal modo que si la esta disminuye, se afectarán las tendencias en las actitudes de aprendizaje y, por consiguiente, las actitudes hacia la ciencia, en especial las de disciplina de estudio.

En el contenido procedimental del estudio de caso (véase la figura 6), se evidencia un proceso progresivo en su aprendizaje y en la adquisición de los indicadores procedimentales. Teniendo en cuenta el desempeño en los indicadores, la estudiante se clasificó en el nivel de abertura de Herron (1971) y Priestley (1992).Al respecto, en Herron (1971), toda actividad que contenga carga experimental debe plantear e identificar un problema que debe ser solucionado por medio del diseño y desarrollo de la estrategia experimental con la finalidad de obtener una respuesta. En Priestley (1997), se basa en la proporción en la que el docente facilita los problemas, las maneras y medios para afrontar el problema y la respuesta a esos problemas. Por lo tanto, a mayor participación del docente menor será el nivel de abertura del estudiante (citados en Jiménez, Llobera y Llitjós 2006).

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En el problema experimental uno se establece que la estudiante estuvo en el nivel de abertura de Herron cero (requirió intervención del docente para resolver el problema con un método establecido) y desde el nivel de abertura de Priestley correspondió al tipo cerrado (se le proporcionaron todos los procedimientos). Para el problema experimental dos, el nivel de abertura de Herron fue uno (requirió de instrucciones para el dominio de técnicas experimentales) y en el nivel de abertura de Priestley semi-cerrado (se le proporcionaron algunos procedimientos). En el caso del problema experimental tres el nivel de abertura de Herron fue el nivel dos (planificó el experimento e identificó variables, para representarlas dentro de una gráfica cualitativa), pero desde el nivel de abertura de Priestley respondió al nivel abierto (desarrolló sus propios procedimientos, se le proporcionó el método, y realizó los procedimientos para elaborar las generalidades). Este último resultado también se hace evidente en el cuarto problema experimental.

En las tendencias de los problemas experimentales se observa que la estudiante no tenía experiencia en los procedimientos que se requieren en la resolución de problemas experimentales, pero tenía gran predisposición al trabajo en equipo (it10). Al comparar los problemas experimentales, es notorio que los dos primeros presentaron una similitud en el nivel de abertura, de tal modo que requirió el acompañamiento permanente del docente. Es importante resaltar que la estudiante abandona el indicador "identificación de condiciones que influyen en los resultados de un experimento" luego de no tener evoluciones de aprendizaje en él; pero el abandonar este indicador no indica un obstáculo para la adquisición en los otros indicadores procedimentales ni en el aprendizaje del contenido procedimental.

Al relacionar los progresos o evoluciones en motivación intrínseca, actitudes de aprendizaje hacia la biología y actitudes hacia la ciencia, se puede establecer claramente que el contenido procedimental influye sobre la dinámica entre estos tres componentes del contenido actitudinal, como lo demuestran sus juicios de valor. Es decir, el aprendizaje evolutivo en el contenido procedimental de Laura, que inició de mayor a menor grado de dificultad en los indicadores procedimentales, donde involucramos el grado de abertura, hizo que se presentaran cambios (disminución y aumento) en la motivación intrínseca, los cuales repercutieron en algunas actitudes de aprendizaje hacia la biología que fueran difíciles de aprender, además afectaron el cambio de Muy favorable a Favorable en las tendencias en las actitudes hacia la ciencia.

Con respecto a la visión sobre la naturaleza de la ciencia, en el caso Laura se identifican tendencias diferentes en los criterios en cada una de las categorías: relación teorías y hechos, naturaleza del conocimiento científico y desarrollo del conocimiento científico (véase la figura 7).

La estudiante Laura en la categoría "relación de teoría y hechos" presentó dos visiones: tradicional y avanzada. Desde la visión tradicional tiende a considerar que una teoría es una hipótesis que se ha confirmado y el progreso científico consiste en descubrir teorías que se aproximen a la verdad ("dar una mejor respuesta a un problema"). Pero desde la visión de avanzada, piensa que las teorías son invenciones de los científicos ("la ciencia se hacen conclusiones o respuestas"); en esta medida, las afirmaciones de los científicos están influenciadas por la comunidad científica y por investigaciones anteriores (según los juicios de valor, en el trabajo en equipo "todos damos ideas").

En la dimensión "naturaleza del conocimiento científico", la estudiante tendió a reconocer que existen diferentes metodologías científicas, que se adoptan de acuerdo a las circunstancias. En estas metodologías las leyes se validan por consenso de los científicos (como argumenta a través de los juicios de valor "se hace en el laboratorio…" y "se juntan para hacer una mejor conclusión o respuesta"; esta concepción es propia del trabajo en equipo y responde a una visión de avanzada).

En la dimensión "desarrollo del conocimiento científico", la concepción de la estudiante tiende a considerar que la ciencia ha evolucionado mediante la acumulación de teorías verdaderas y el progreso científico consiste en descubrir teorías que se aproximen cada vez más a la verdad (se evidencia esta tendencia de visión tradicional en el argumento de la estudiante "sea el problema que sea le buscan solución"). Paralelamente consideró desde una visión de avanzada que el conocimiento científico es tentativo.

Se estableció que los estudiantes participantes, antes de la intervención, no tenían una verdadera comprensión de la fotosíntesis y respiración en las plantas. En la figura 8 se interpretan los criterios de Laura.

En la primera gráfica de dispersión (figura 8.a), en el criterio uno, Laura presentó una tendencia desfavorable hacia la comprensión en el reconocimiento de estructuras celulares y químicas que participan en el proceso de la fotosíntesis y la respiración. Las concepciones alternativas se centran en la diferenciación de las funciones de los organelos celulares de la fotosíntesis y la respiración y en atribuirle a las hojas la función de respiración y fotosíntesis. Frente al criterio dos, expresó un bajo reconocimiento de conceptos y características propias de las plantas asociados a la fotosíntesis. Además, mostró una tendencia favorable de comprensión para reconocer como característica que las plantas fabrican su propio alimento, pero desligó esta explicación de los conceptos autótrofo, fotosíntesis y productor. En el criterio tres existió una baja tendencia de comprensión para identificar la influencia de la luz en el proceso de la fotosíntesis, además desconoció aspectos específicos de la incidencia de la luz en el proceso de la fotoquímica; evidencia de ello es la concepción frente a la producción del oxígeno ya que la confundió con respiración.

En las figuras 8a y 8b se representa la relación de migración de los indicadores en cada criterio (en la figura 8a se describe la baja tendencia de comprensión y en la figura 8b la alta tendencia comprensión del contenido); allí se establece tendencia evolutiva conceptual en los criterios y se demuestra el cambio conceptual sobre el contenido. Se aclara que la teoría quimiosmótica no se comprende en su totalidad, debido a la muy baja comprensión de la relación entre clorofila y onda espectral visible (it5 e it16), que para grado séptimo es un contenido de alto grado de complejidad que requiere de mayor tiempo y nuevas secuencias de actividades.

En el criterio cuatro, Laura tuvo tendencia desfavorable hacia la comprensión en identificación de las verdaderas sustancias que necesita la planta para el proceso de fotosíntesis, al considerar que las plantas requieren alimentarse del suelo (nutrientes procesados o fertilizantes). Esta concepción hace ver la confusión entre alimentos y nutrientes (afirma que los alimentos para ella son fertilizantes, agua y sol), por ende no relaciona fotosíntesis con nutrición. Y en el criterio cinco es notoria la baja tendencia de comprensión para la diferenciación entre la fotosíntesis y la respiración puesto que no identifica la función y el proceso con el concepto (el crecimiento de la planta, la importancia de la glucosa, las plantas no respiran, las plantas respiran de noche, etc.).

Las explicaciones de la estudiante demuestran que hubo un avance en las explicaciones científicas o evolución histórica desde la visión toulminiana. Su evolución conceptual parte de incorporar nuevos conceptos específicos que le permitieron identificar características propias de las plantas y abandonar la teoría del humus. Su interpretación causal del modelo explicativo de especiación fue fundamental como principio de progreso conceptual y complementario al modelo experimental para la comprensión de variables (Laura filogenéticamente pasó a la teoría fotosíntesis como único proceso). Esta estabilidad cambió cuando formuló la teoría de gases como explicación causal del proceso de respiración; entonces, la evolución conceptual se situó en teorías independientes. La anterior teoría se desestabilizó cuando la estudiante (Laura) formuló una explicación funcional a partir de relacionar variables (glucosa - ATP, H2 y O2 - H2O, glucosa - CO2) en la solución de problemas. En un comienzo relacionó CO2 y O2 como una explicación cotidiana, lo que le permitió reelaborar la explicación causal para diferenciar el proceso y construir la generalidad de interdependencia en función de la respiración, "la glucosa sale del cloroplasto, en el citoplasma libera dos ATP. Se divide en dos moléculas que se van a la mitocondria. En el ciclo de krebs se obtiene CO2 y ATP, se necesita agua...". La evolución conceptual de Laura terminó en un cambio conceptual (figura 8b), gracias a que diferenció el proceso de intercambio gaseoso de fotosíntesis y de respiración demostrada en la generalización final para la apropiación de los conceptos en una situación real y teórica (véase la figura 9).

Este cambio conceptual dependió de la evolución del aprendizaje procedimental. Laura demostró habilidad para buscar y seleccionar información y confrontar sus concepciones con el conocimiento científico y, en consecuencia, evolucionó en el nivel de abertura. Con relación a los niveles de abertura, la estudiante inició en el nivel uno -cerrado (requirió intervención del docente para resolver el problema y se le proporcionaron los procedimientos)- y avanzó de forma gradual hasta el nivel tres -muy abierto (solo se le proporcionó el problema)-; por lo tanto, presentó cambio procedimental en el que se establece que adquirió un método deductivo.

Laura, al desarrollar las actividades problémicas, adquirió actitudes de aprendizaje hacia la biología, tales como como regulación, responsabilidad, creatividad, desarrollo cognitivo, iniciativa, comunicación y desarrollo social, los cuales permitieron estabilidad y favoritismo en las actitudes hacia la ciencia, en especial las categorías de ciencia escolar, lo que contribuyó a su vez en la toma de decisiones, una mayor apertura cognitiva, control sobre el propio aprendizaje, utilidad para seguir posteriores estudios y disponibilidad e interés hacia la ciencia, lo que redunda en la motivación hacia su estudio. Pero el aprendizaje de este contenido, incluidos los otros, se logró debido a la motivación intrínseca de la estudiante, gracias a la que factores como el compromiso, la participación y el diálogo fueron esenciales.

El desarrollo de las actividades problémicas y los cambios positivos en los contenidos y la evolución de los aprendizajes permiten establecer que en Laura coexisten la visión tradicional (con mayor tendencia) y la visión avanzada sobre la naturaleza de la ciencia, pues tendió por el realismo ingenuo, la influencia de la comunidad científica y el acumulacionismo como modelo de cambio científico

Conclusiones

La estrategia de enseñanza y aprendizaje permitió identificar las concepciones, el nivel de profundidad y el poder explicativo de las construcciones sobre el contenido (de acuerdo con la comprensión de los estudiantes del estudio de caso), la movilización de procedimientos aprendidos y las reflexiones sobre las actitudes, a partir de los procesos de interacción con las actividades. Además, contribuyó a la visión de avanzada de la estudiante Laura sobre la naturaleza de la ciencia en las categorías Relación de teorías y hechos y Naturaleza del conocimiento científico, en las que se determinó que la ciencia responde a un sistema conceptual y los hechos construidos están cargados de teoría.

A partir del estudio del caso Laura, al igual que en los otros dos casos no mencionados aquí, se establece que la comprensión de un concepto depende de la apropiación del mismo para aplicarlo en otro contexto, por lo tanto el cambio conceptual está determinado por el grado de estabilidad de sus concepciones y los factores socioculturales, puesto que las creencias con las que llegan al aula de ciencias obstaculizan la comprensión sobre la relación entre fotosíntesis y respiración, o contribuyen a la coexistencia de dos concepciones: cultural y científica.

El lenguaje científico permite incorporar nuevos conceptos a las explicaciones de los estudiantes, siempre y cuando estos sean comprensibles, traducidos en explicaciones descriptivas. Solo cuando han adquirido todos sus atributos de forma secuencial, se expresan en explicaciones funcionales o explicaciones causales como acto reflejo de aprendizaje. De no darse esta situación, la estudiante vuelve a la explicación teleológica y cotidiana del intercambio gaseoso, gracias a sus creencias y a la influencia cultural.

El contenido procedimental del estudio de caso Laura respondió a un aprendizaje progresivo, en el cual su estrategia para la solución de actividades problémicas se fue consolidando a medida que iba realizando más actividades de este tipo por sí sola. Al igual que en los otros casos de estudio, es importante precisar que los estudiantes llegan con baja experiencia en este tipo de estrategia; en consecuencia presentan menor nivel de abertura y, por ende, dependencia del profesor. Se establece entonces que el aprendizaje de los procedimientos está sujeto a la dinámica y el protagonismo de sus actores y al nivel de dificultad del problema, y la evolución del aprendizaje procedimental está determinada por el nivel de dificultad del problema experimental.

La estrategia de enseñanza y aprendizaje diseñada promueve actitudes positivas de aprendizaje hacia la biología y hacia la ciencia. Se identificó que el grado de estabilidad de las actitudes de aprendizaje hacia la biología como responsabilidad, regulación y creatividad (aprendizaje hacia la autonomía), actitudes de desarrollo cognitivo, estrategia y motivación (aprendizaje hacia la resolución de problemas), actitudes de esfuerzo personal, iniciativa y comunicación (aprendizaje hacia las actividades) y actitudes de cooperación y desarrollo social (aprendizaje hacia el trabajo en equipo) son determinantes para que haya una verdadera predisposición hacia la ciencia con respecto a ciencia escolar y disciplina de estudio. Por lo tanto, el verdadero aprendizaje requiere de actitud positiva, interés y voluntad, elementos constitutivos de la motivación intrínseca.

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