Formar, enseñar y aprender sobre la práctica científica en primaria con un juego de cajas negras
, Antoni-J. Bennàssar-Roig 2 y Ángel Vázquez-Alonso 3 Artículo de innovación. Recibido: 21/10/2020. Aceptado: 02/03/2021. Publicación avanzada: 05/05/2021. Publicado: 01/07/2021
INTRODUCCIÓN. Aprender cómo funciona la comunidad científica para validar conocimientos es un componente esencial de la alfabetización científica que no se enseña adecuadamente por su complejidad cognitiva, la carencia de recursos didácticos y la insuficiente atención a estos temas en la formación del profesorado. El objetivo es innovar la formación y el desarrollo profesional del profesorado mediante juegos serios (cajas negras) que incentiven esta enseñanza epistémica y su aprendizaje por alumnado en primaria.
MÉTODO. Tres maestros y sus estudiantes participan en un proceso metodológicamente mixto: desarrollo del juego como recurso didáctico, intervención educativa con estudiantes e investigación-acción sobre la práctica docente de los maestros.
RESULTADOS. Se presentan como resultados, las actividades, los productos y el desarrollo profesional docente por medio del estudio de la lección: planificación de la secuencia didáctica, producciones del alumnado y evaluación de la formación (maestros) y de la motivación e interés de maestros y alumnado. La eficacia del juego se justifica por la valoración positiva de los docentes y la realización, aceptación y motivación hacia las tareas del alumnado.
DISCUSIÓN. Se discuten los logros, los límites y las implicaciones futuras en relación con los objetivos de la experiencia tanto para la educación científica como para desarrollar en las escuelas la sostenibilidad de la experiencia de formación con juegos epistémicos.
Educación científica, Formación de profesorado, Práctica científica, Juego educativo, Enseñanza basada en investigación.
1 Universidad de las Islas Baleares, España. Departamento de Psicología, Catedrática de Universidad.
2 Universidad de las Islas Baleares, España. Departamento de Biología, Catedrático de Escuela Universitaria.
3 Universidad de las Islas Baleares, España. Centro de Estudios de Posgrado, Investigador colaborador. Correo para la correspondencia: angel.vazquez@uib.es
Manassero-Mas, M.A., Bennàssar-Roig, A.J., y Vázquez-Alonso, A. (2021). Formar, enseñar y aprender sobre la práctica científica en primaria con un juego de cajas negras. REIRE Revista d’Innovació i Recerca en Educació, 14(2), 1–22. https://doi.org/10.1344/reire2021.14.232607
© 2021 Los autores. Este artículo es de acceso abierto sujeto a la licencia Reconocimiento 4.0 Internacional de Creative Commons, la cual permite utilizar, distribuir y reproducir por cualquier medio sin restricciones siempre que se cite adecuadamente la obra original. Para ver una copia de esta licencia, visite https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Formar, ensenyar i aprendre sobre la pràctica científica a primària amb un joc de caixes negres
INTRODUCCIÓ. Aprendre com funciona la comunitat científica per validar els coneixements és un component essencial de l’alfabetització científica, que no s’ensenya adequadament a causa de la seva complexitat cognitiva, la manca de recursos didàctics i la insuficient atenció en aquests temes a la formació del professorat. L’objectiu d’aquest article és ajudar a innovar la formació i el desenvolupament professional del professorat mitjançant jocs seriosos (caixes negres) que incentivin aquest ensenyament epistèmic i el seu aprenentatge per part de l’alumnat de primària.
MÈTODE. Tres mestres i els seus estudiants participen en un procés metodològicament mixt: desenvolupament del joc com a recurs didàctic, intervenció educativa amb estudiants i investigació-acció sobre la pràctica docent amb mestres.
RESULTATS. Es presenten com a resultat les activitats, els productes i el desenvolupament professional docent mitjançant l’estudi de la lliçó: planificació de la seqüència d’ensenyament, produccions de l’alumnat, i avaluació de la formació (mestres) i de la motivació i interès de mestres i estudiants. L’eficàcia del joc com a recurs es justifica per la valoració positiva que en fan els docents i per la realització, acceptació i motivació de l’alumnat vers les tasques.
DISCUSSIÓ. Es discuteixen els assoliments, els límits i les implicacions futures en relació amb els objectius de l’experiència, tant pel que fa a l’educació científica com per desenvolupar a les escoles la sostenibilitat de l’experiència de formació amb jocs epistèmics.
Educació científica; Formació de professorat; Pràctica científica; Joc educatiu; Ensenyament basat en investigació.
Training, teaching and learning scientific practices at primary school with a Black Box game
INTRODUCTION. Learning how science and scientists work to validate knowledge is an essential component of scientific literacy. Because of its cognitive complexity, the lack of educational resources, and the insufficient teacher training on this issue, this skill is often inadequately taught. This study aims to innovate primary teachers’ training and professional development by introducing serious games (black boxes) that encourage this teaching and the primary students’ epistemic learning.
METHOD. Three teachers and their students took part in a mixed-method process: playing the game as a pedagogical resource, as an educational intervention with students, and as an action-research on teaching practices with primary teachers.
RESULTS. The results display the activities, products and teachers’ professional development in the lesson under study: the planning of the teaching sequences, the productions of students’ learning, teachers’ and students’ evaluation of the training, and their motivation and interest regarding the whole experience. The effectiveness of the game is borne out by the teachers’ positive assessment and the students’ engagement and motivation in doing the learning tasks.
DISCUSSION. We discuss the achievements, limits and future implications in relation to the objectives of the experience, both for science education in general and for promoting the sustainability of training experiences with epistemic games in the school setting.
Science education; Teacher training; Scientific practice; Educational game; Research-based teaching.
El objetivo perenne de la educación científica es la alfabetización, que actualmente se interpreta como «ciencia para todos» inclusiva, capaz de preparar adecuadamente a la ciudadanía para la vida cotidiana en un mundo cada vez más sostenible y permeado por la ciencia y tecnología, en contraposición a la tradicional «ciencia para científicos» (Hodson, 2008; Millar, 2006; Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2018). La alfabetización científica tiene dos componentes básicos: uno cognitivo, formado por conceptos, hechos, principios y procesos de la ciencia, que tradicionalmente dominan los libros de texto y currículos escolares; y otro componente formado por los innovadores conocimientos «sobre» la ciencia, que a menudo se denominan también naturaleza de la ciencia (en didáctica de la ciencia) o conocimiento epistémico (en la educación general). Este conocimiento innovador trata sobre cómo la ciencia y la comunidad científica validan el conocimiento o intervienen en la sociedad, y constituye el contenido de referencia de este estudio (Roberts, 2007; Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2012).
Los conocimientos de naturaleza de la ciencia/conocimientos epistémicos (en lo sucesivo NdC/CE) comprenden un conjunto de meta-conocimientos complejos, multifacéticos, interdisciplinares, evolutivos y cambiantes sobre las prácticas científicas (y tecnológicas), que la historia, filosofía y sociología de la ciencia (y otras) han aportado cuando analizan las prácticas científicas y tecnológicas; entre otros, se refieren a su funcionamiento, métodos, valores, comunidad científica, relaciones entre ciencia y tecnología y con la sociedad, etc. (Lederman, 2007; NGSS, 2013; Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2012). Actualmente, hay acuerdo en la comunidad investigadora acerca de la necesidad de innovar la educación científica enseñando conocimientos “sobre” la ciencia, como elementos claves de la alfabetización; paralelamente, hay un debate acerca de los contenidos más apropiados de esa enseñanza y que se manifiesta en el uso de denominaciones diversas, tales como naturaleza de la ciencia, ideas sobre la ciencia, rasgos de la ciencia, ciencia total, entre otras (Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2012; Vesterinen et al., 2014). La denominada visión de consenso propone una lista reducida de temas, argumentando la potencial funcionalidad docente de lo simple (Abd-el-Khalick y Akerson, 2009; Lederman, 2007; McComas, 2008); otros sugieren visiones más amplias, porque una lista simple supone una reducción y devaluación conceptual del constructo (Acevedo-Díaz y García-Carmona, 2016; Allchin, 2011; Matthews, 2012; Osborne et al., 2003, entre otros).
Las re-conceptualizaciones de Erduran y Dagher (2014) y Manassero y Vázquez (2019) analizan el conocimiento epistémico (NdC/CE) y coinciden en describirlo con base en dos amplias dimensiones, una cognitivo-epistemológica y otra social-institucional; el segundo trabajo las desarrolla en una taxonomía abierta y flexible donde se estructuran decenas de temas y subtemas. En la misma línea, el programa de educación científica para las nuevas generaciones (NGSS, 2013) integra en el concepto de práctica científica, de forma natural, la pluralidad de prácticas científicas e ingenieriles expuestas en esas re-conceptualizaciones.
La enseñanza y el aprendizaje del conocimiento NdC/EC sobre la práctica científica no es fácil y constituye aún una innovación pendiente en la educación científica. Por el lado metodológico, diversas investigaciones han allanado el camino al mostrar que los enfoques más eficaces involucran planteamientos explícitos de la enseñanza y actividades de reflexión meta-cognitiva para el alumnado (Abd-el-Khalick y Akerson, 2009; Deng et al., 2011; García-Carmona et al., 2011; Lederman, 2007). El enfoque explícito y reflexivo también se ha demostrado eficaz para mejorar la comprensión del alumnado de primaria en algunos aspectos (cambio en ciencia), aunque no tanto en otros, como la distinción observación-inferencia, el carácter subjetivo o los aspectos sociales (Akerson y Donnelly, 2010; Akerson et al., 2014; Khadija et al., 2015; Quigley et al., 2011).
La literatura apunta unánimemente al principal inconveniente para una enseñanza eficaz de NdC/CE: el profesorado no tiene una adecuada comprensión de esos temas (García-Carmona et al., 2011; Lederman, 2007). Además, los estudios relativos a la educación primaria son más escasos en la literatura; la revisión de Cofré et al. (2019) reseña solo nueve estudios entre 2010-2018 sobre la comprensión y formación de profesores de primaria en ejercicio, y, como instrumento de formación de los profesores recomienda la planificación y aplicación de las clases de enseñanza de NdC/CE; Akerson et al. (2019) sostienen que aplicar estrategias de interacción en clase y trabajo escrito del alumnado también es eficaz para que los maestros enseñen y los alumnos aprendan NdC. Estas perspectivas se adoptan en este estudio.
Desde la primera infancia todas las actividades del niño para conocer y acomodarse en su entorno tienen un sentido lúdico y funcional, de modo que el juego es esencial para el desarrollo integral en toda la infancia. Los juegos se caracterizan por el planteamiento de retos y unas reglas para conseguirlos, que regulan las interacciones de los jugadores para entretenerse, competir y ganar. Los juegos se suelen clasificar en cinco categorías: físicos, con objetos, simbólicos, dramáticos y reglados. En el juego con objetos, el jugador actúa como un científico explorando objetos y los juegos reglados pueden aportar el desarrollo de los aspectos siguientes: actividad, entretenimiento, significatividad, interactividad, inhibición de la realidad, diversión, control del jugador, curiosidad, desafío, contenidos explícitos y normas (Whitebread, 2012).
El entretenimiento es un aspecto asociado a cualquier juego, pero cuando el entretenimiento no es el fin, sino sólo un medio para lograr otros fines de mayor calidad, tales como formación, aprendizaje, salud, comunicación, etc. el juego se considera un juego serio. Los juegos serios centrados en el aprendizaje ofrecen a los jugadores información nueva, cambios de comportamientos o habilidades nuevas, y, por eso, algunos autores los denominan también juegos para el aprendizaje lúdico (Hassinger-Das et al., 2017).
Diversos estudios muestran que los juegos serios son más eficaces que la instrucción convencional para producir cambios conductuales, cognitivos y meta-cognitivos. El meta-análisis sobre el aprendizaje visible de Hattie (2009) asigna a los juegos y videos interactivos un relevante tamaño de efecto medio sobre el aprendizaje (d = 0,50 - 0,52) que justifica el uso de juegos como recursos de enseñanza. La revisión de varios meta-análisis de Clark et al. (2016) indica que los juegos serios digitales se asocian a una mejora media moderada (d = 0,33) para diversas variables cognitivas, actitudinales, conocimientos, auto-eficacia, procedimientos y retención respecto a los aprendizajes sin juegos, que está en línea también con el estudio de Wouters et al. (2013). Además, los juegos añaden otras ventajas educativas: los estudiantes no necesitan conocimientos previos para jugar y el diseño de sus contenidos es muy abierto y flexible, lo cual permite adaptarlos a las características del estudiante y al desarrollo de los aprendizajes cooperativos y sociales (McGonigal, 2011).
Todas estas características han causado un gran desarrollo de los juegos serios en todas las disciplinas y también en ciencias, aunque mayoritariamente enfocados a enseñar los contenidos cognitivos, mientras los juegos enfocados al aprendizaje del conocimiento epistémico son escasos. Por ejemplo, el análisis de 31 investigaciones (2000-2011) que aplicaron juegos digitales de contenido científico muestra que ningún juego abordó el aprendizaje de temas de naturaleza de la ciencia (Li y Tsai, 2013). No obstante, ya se ha indicado que los juegos con objetos favorecen e impulsan en los jugadores el rol de científicos (Whitebread, 2012), y, en particular, los juegos que simulan problemas permiten enseñar también aspectos epistémicos complejos, tales como la conducta y el pensamiento de la comunidad científica, especialmente la argumentación con base en pruebas, piedra angular de la ciencia (Gee, 2007; Squire, 2011).
En este sentido, los juegos de cajas negras se eligen como material didáctico aquí porque ofrecen una analogía realista de las prácticas científicas (responder una pregunta en un contexto de información limitada) y permiten la emulación de la conducta, las habilidades y el pensamiento de la comunidad científica, que los hace idóneos para el aprendizaje lúdico de los complejos aspectos NdC/CE. Incluso permiten simular principios epistemológicos contrapuestos de la práctica científica explícitamente, tales como la creatividad y el respeto a las reglas, o en la dimensión social, cooperar y a la vez competir, en la medida que el juego exige someterse a las reglas, pero también rivalizar para intentar ganar (Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2017).
La justificación del diseño educativo y aplicación de cajas negras proviene de su capacidad para abordar las principales dificultades de la enseñanza de NdC/CE: suplir la carencia de recursos, hacer fácil y motivador un aprendizaje difícil para estudiantes tan jóvenes y ofrecer formación sencilla y útil para el profesorado (enseñanza de un tópico relegado). Además, la flexibilidad del juego agrega ventajas para su uso en primaria, pues permite al profesorado adaptar fácilmente su diseño al desarrollo, evolución y necesidades del alumnado, porque primaria ha sido un contexto poco frecuente de las investigaciones sobre enseñanza de NdC/CE y porque algunos estudios demuestran la capacidad de este alumnado para aprender aspectos epistémicos (Akerson y Donnelly, 2010; Cofré et al., 2019; Quigley et al., 2011).
Esta propuesta innovadora de enseñanza del conocimiento NdC/CE se plantea como objetivos algunas carencias actuales del tópico. El primer objetivo es la mejora del desarrollo profesional y formación del profesorado, a través de la apropiación didáctica del juego como un recurso para enseñar el tópico innovador de NdC/CE (Acevedo-Díaz y García-Carmona, 2016) y el progreso en habilidades de pensamiento científico de los docentes, mediante el diseño del plan de lecciones para lograr el aprendizaje explícito y reflexivo del alumnado. El segundo objetivo plantea el reto educativo de aplicar un recurso innovador (juego de cajas negras), porque apenas ha sido usado para enseñar NdC/CE y pensamiento científico. El tercer objetivo afrontar el estudio de NdC/CE en el nivel de primaria, poco frecuente en la literatura. El cuarto objetivo, común a docentes y estudiantes, es el desarrollo de habilidades de pensamiento científico y crítico mediante su práctica activa en la lección de NdC/CE, porque son relevantes para la educación científica y transversales para otras disciplinas y la vida cotidiana (Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2018). Las habilidades de pensamiento en este objetivo son:
-Hacer preguntas y definir problemas.
-Analizar e interpretar datos.
-Construir explicaciones y diseñar soluciones.
-Participar en la argumentación con base en pruebas
-Desarrollar y usar modelos.
-Planificar y realizar investigaciones.
-Obtener, evaluar y comunicar información.
Estas habilidades se basan en los siguientes supuestos de pensamiento científico: la ciencia supone orden y consistencia en los sistemas naturales, la investigación científica utiliza una variedad de métodos, el conocimiento científico (leyes, modelos y teorías) explica los fenómenos naturales con base en pruebas empíricas y permanece abierto a la revisión (provisionalidad), desde nuevas pruebas y hechos, que pueden sugerir cambios.
En suma, la literatura informa que enseñar NdC/CE es un tema relevante de la didáctica de la ciencia, pero aún pendiente y abierto por los grandes obstáculos que afronta: la falta de formación de los docentes y de recursos educativos apropiados, junto con la ausencia de tradición y la presencia de numerosas ideas ingenuas sobre el tema; estas carencias se acentúan más en los niveles elementales, por la precaria formación científica de los maestros. El objetivo de este estudio es afrontar estas carencias, mediante un recurso didáctico innovador (juego de cajas negras), en una experiencia de formación de maestros de primaria sobre NdC/CE en la acción práctica: el maestro desarrolla el plan de la lección, basado en el juego de cajas negras, y lo aplica en el aula para verificar su eficacia en el aprendizaje de la práctica científica por el alumnado; la intervención con el juego plantea el desempeño por el alumnado del rol de comunidad científica, lo cual implica estimular el pensamiento creativo y argumentativo y generar ideas y modelos mediante reflexión, interacción y cooperación.
La pregunta de investigación es: ¿el juego serio de cajas negras es eficaz como formación de docentes de primaria para enseñar sobre la práctica científica? Además, como enseñanza y aprendizaje van unidos, otra pregunta complementa la anterior: ¿la aplicación del juego en el aula es eficaz para desarrollar los aprendizajes y el pensamiento del alumnado?
Se centra en la experiencia de formación de maestros sobre conocimientos epistémicos y se corresponde con una metodología cualitativa de investigación-acción, donde los docentes investigan sobre su propia práctica con el juego serio de cajas negras: planifican, aplican, participan y evalúan su enseñanza y el aprendizaje de los estudiantes (Vázquez et al., 2017).
Los participantes en esta actividad son tres maestros de primaria en ejercicio (dos hombres y una mujer, entre 13 y 19 años de docencia), cuya formación inicial es generalista y carente de formación específica de ciencias. Ejercen en tres escuelas situadas en la periferia de una gran ciudad, en una ciudad media y en una población turística costera, siendo tutores de dos grupos de 5.º curso (21 alumnos y 25 alumnos) y de 6.º curso (18 alumnos) de primaria (11-12 años), donde desarrollaron las actividades del juego de cajas negras, con un promedio de cuatro horas de actividad de aula.
Su formación consistió en compartir unas orientaciones sobre NdC/CE, los materiales y objetivos de la actividad educativa con cajas negras para enseñar sobre la práctica científica, como parte del desarrollo del currículo de ciencias de primaria (bloque 1, la actividad de los científicos). Cada maestro personalizó el diseño de su propio estudio de lección, planificando, adaptando y aplicando el juego al contexto particular de sus estudiantes, lo que resultó en tres lecciones y experiencias diferentes, cuyos resultados y productos fueron más variados que la reducida muestra ofrecida aquí, debido a las limitaciones de espacio.
El modelo teórico de la caja negra (llamada así porque su interior es opaco) ha sido desarrollado por académicos, como un sistema abierto que responde a estímulos externos y basado en el supuesto que existe una relación (causal) entre estímulos y respuestas observables; su uso está centrado en las relaciones entradas/salidas, pues su interior es opaco (Bunge, 1963). La caja negra conecta con otras disciplinas y la vida diaria, porque muchos dispositivos (computadores) y sistemas (cerebro) son ejemplos prácticos de cajas negras.
Los juegos con cajas negras integran características propias de los juegos con objetos (observación), los juegos simbólicos (uso del lenguaje para razonar y argumentar) y los juegos reglados (Whitebread, 2012). Por ello, las cajas negras permiten el abordaje explícito del conocimiento NdC/CE y del pensamiento cooperativo y reflexivo de maestros y estudiantes (emulando a la comunidad científica) y, además, la posibilidad de elaborar el juego como una experiencia integral de práctica científica (proyecto, basado en investigación o evidencias), aunque sin vinculación con el laboratorio tradicional (Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2012).
Algunos estudios muestran diversas versiones de cajas negras, tales como estructuras internas (Raviolo et al., 2010), tubos con líquidos (MUSE, 2002), combinaciones de agujeros (Cartier, 2000), o simples cajas cerradas con objetos (Solís et al., 2015). En estas referencias las cajas se usan para enseñar otros conocimientos, mientras el objetivo innovador aquí es enseñar NdC/CE, conocimiento más difícil por el alto nivel cognitivo de las destrezas científicas implicadas. En este estudio, el instrumento innovador, por su aplicación a NdC/CE, es el juego de cajas negras, elegido tras una revisión de diversos trabajos entre juegos de rompecabezas, cubos, escenarios, cajas negras, tarjetas, etc. en función de satisfacer los criterios del marco teórico, tales como afrontar explícitamente un tema epistémico, permitir el desarrollo del pensamiento, la cooperación y la discusión argumentada entre los participantes y ser adaptado para primaria. El formato digital fue descartado porque no facilita tanto las interacciones cooperativas para ejercitar la construcción social del conocimiento y porque los tecnicismos, los programas y la orientación individualista podrían distraer del objetivo didáctico anterior (Vázquez-Alonso y Manassero-Mas, 2017).
La caja negra de este estudio es una caja opaca con objetos dentro; los estudiantes tratan de averiguar el número y naturaleza de los objetos, manipulando la caja para probar sus hipótesis y conjeturas. Esta sencilla y desafiante actividad introduce suavemente al alumnado en complejos principios epistémicos propios de las prácticas científicas para validar conocimientos, que aplican destrezas y procesos de pensamiento de alto nivel, con énfasis en el razonamiento basado en pruebas a través de la discusión cooperativa en grupo (Gee, 2007; Squire, 2011). Las destrezas específicas de pensamiento científico en juego son observar, descubrir, verificar, razonar sobre las observaciones, resolver objeciones y anomalías, hacer hipótesis sobre la caja y verificar las predicciones compatibles con las observaciones. Una exigente regla del juego consiste en permitir solo las propuestas que van acompañadas de algún argumento o razonamiento basado en pruebas; no obstante, una ventaja crucial de las cajas negras como instrumento didáctico es su flexibilidad y apertura: se pueden acomodar a las necesidades del alumnado y a varios niveles de dificultad.
El diseño de investigación cualitativa se centra en la innovación de poder formar al profesorado de primaria y de enseñar conocimiento NdC/CE a los estudiantes. La formación de los maestros comprende una sesión de orientación inicial con los investigadores sobre esta innovación y el instrumento de cajas negras; los maestros preparan un plan de lecciones sobre la caja negra, que implica tareas de adaptar contenidos epistémicos para su alumnado, diseñar su infusión en el currículo (momento, duración, conexiones), liderar la enseñanza en el aula, guiar y recoger los datos de las reflexiones y argumentos de los alumnos con los organizadores-guía y ayudar a los alumnos a sacar conclusiones de las actividades epistémicas. El plan de investigación-acción se completa con una sesión conjunta donde los docentes comparten sus experiencias, reflexionan, analizan y evalúan su propia eficacia en la planificación y ejecución de las actividades realizadas, los resultados obtenidos y el impacto en el aprendizaje de sus estudiantes.
La idea epistémica clave del proyecto con cajas negras es lograr que los estudiantes asuman el rol de científicos y practiquen socialmente las normas y procesos de la ciencia y las destrezas científicas de argumentación, planificación, reflexión, cooperación y gestión de las actividades en la búsqueda de conocimientos. Los docentes diseñan para sus estudiantes organizadores-guías que recogen y documentan los datos cualitativos de observaciones, reflexiones, argumentos y conclusiones de las actividades, como parte del desarrollo curricular de la secuencia de enseñanza y aprendizaje (SEA) (Figura 1).
Figura 1
Grupo de estudiantes con su caja negra y el organizador-guía sobre la mesa