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Introducción
La enseñanza de la química en la educación obligatoria contribuye a la “alfabetización química” de los estudiantes, los cuales deben comprender los conceptos químicos implícitos en diversos ámbitos cotidianos -medicina, higiene, alimentación, medio ambiente, energía…- para poder actuar como ciudadanos responsables (Blanco, 2007). A pesar de su relevancia, la enseñanza de esta materia resulta compleja ya que, desde la Educación Secundaria, los estudiantes muestran un desinterés y un rechazo crecientes ante su aprendizaje, presentando concepciones alternativas sobre distintos conceptos químicos (Dávila et al., 2016). Uno de ellos es el concepto de pH, sobre el que los alumnos de Educación Secundaria presentan numerosas concepciones alternativas (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Carrizo et al., 2022; Jiménez-Liso et al., 2000; Sesen y Tarhan, 2011), como:
Definir el pH como un criterio para determinar la calidad de un producto -lo cual revela un desconocimiento del concepto de pH y de otros aspectos como su escala-.
Asociar neutralidad de una sustancia con sustancias inocuas e inertes.
Clasificar a la lejía como ácido y a la piel y los productos de higiene como neutros. Asimismo, identificar a los ácidos con sustancias con sabor ácido y a las bases con sustancias amargas. Estas concepciones revelan dificultades para clasificar sustancias cotidianas en función su pH.
Hay que considerar que solo se pueden ingerir alimentos neutros o con valores de pH alrededor de 7 -concretamente de 6 a 8-.
Identificar a los ácidos con daño, dolor o corrosión, afirmando que no hay productos cotidianos ácidos.
Tomar en cuentas las bases -si es que conocen su existencia- no son peligrosas -en contraposición a los ácidos-.
Considerar que el pH es una característica invariable de las sustancias -lo que revela un desconocimiento de la regulación del pH y de las soluciones amortiguadoras-.
El origen de estas concepciones es diverso. Algunas están influenciadas por el lenguaje cotidiano y la publicidad (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Jiménez-Liso et al., 2000). Otras, sin embargo, tienen su origen en la escuela, dado que están presentes en los docentes, en formación y en activo, y en los libros de texto (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Boz, 2009; Kariper, 2011). Dado el papel de los docentes como transmisores de estas concepciones, es necesario mejorar su formación inicial. Este proceso es, sin embargo, complejo, ya que las concepciones alternativas son difícilmente modificables, sobre todo con la enseñanza tradicional (Carrascosa, 2005). Además, los futuros docentes presentan bajos niveles de motivación hacia el aprendizaje de química y su futura enseñanza (Marcos-Merino et al., 2020), lo que se acentúa para conceptos complejos como el pH.
De acuerdo con la investigación educativa, la enseñanza del concepto de pH se podría mejorar con la incorporación de trabajos:
Experimentales (Carrizo et al., 2022; Sesen y Tarhan, 2011).
Implementados mediante metodologías activas como la indagación (Marcos-Merino et al., 2020; Martin-Hansen, 2002).
Que incluyan aspectos CTS (Ciencia-Tecnología-Sociedad), mediante referencias a la vida cotidiana y a controversias socio-científicas (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Carrizo et al., 2022; Jiménez-Liso et al., 2000).
Interdisciplinares. En este sentido, para mejorar la comprensión del concepto de pH, se ha recomendado incluir más matemáticas en su enseñanza (Kariper, 2011). Asimismo, su instrucción podría conectarse con la de contenidos de biología, puesto que, de acuerdo con la investigación educativa, los estudiantes valoran mejor esta disciplina (Marcos-Merino et al., 2020).
El enfoque STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) permite combinar algunos de estos aspectos mediante actividades manipulativas (tecnología), que resuelvan problemas de la vida diaria (ingeniería) mediante ciencia (química, física, biología…) y matemáticas (Toma y Greca, 2016). En este trabajo se describe una práctica STEM para la enseñanza del concepto de pH, implementada mediante indagación, llevada a cabo con un grupo de docentes en formación, a quienes se considera la muestra de estudio. Asimismo, se evidencia su efecto sobre el aprendizaje del pH y el grado de dispersión de las concepciones alternativas más extendidas. Esta actividad se basa en el diseño y construcción de un papel indicador de pH, procedimiento sencillo para trabajar de manera práctica este concepto químico (Mateus et al., 2009).
Metodología
Muestra y procedimiento
Se emplea una muestra no probabilística de 56 maestros en formación (21 años, 77 % mujeres), estudiantes de una asignatura de didáctica de las ciencias del Grado en Educación Primaria en la Universidad de X (España). Respecto a su acceso a los estudios universitarios, un 31 % cursó una modalidad de ciencias en Bachillerato. El resto accedió mediante Bachillerato de ciencias sociales (48 %), artes (5 %), a través de Formación Profesional (14 %) o por otros accesos (2 %).
Estos estudiantes asistieron, en grupos reducidos (20 alumnos), a una actividad de laboratorio (3 horas) en la que se implementó la intervención descrita en este trabajo, en la cual trabajaron por parejas. Los estudiantes fueron informados de los objetivos de la investigación y del carácter voluntario y anónimo de su participación. Los instrumentos solo fueron empleados para validar la intervención y no para la evaluación de la asignatura.
Instrumento y análisis de datos
El instrumento utilizado (Anexo 1) es un breve cuestionario de 8 preguntas de tipo test (4 opciones de respuesta, sólo una es correcta). Tomando como referencia el procedimiento seguido en estudios previos sobre validación de prácticas activas de ciencias (Marcos-Merino et al., 2020), este cuestionario se aplica como pretest -justo antes de implementar la intervención, para determinar los conocimientos previos- y como postest -a los 15 días de la intervención, para determinar el nivel de conocimientos posterior-. El postest no se aplica en un periodo de tiempo más largo para disminuir, a la hora de estimar la efectividad de la intervención, el efecto de otros factores (como el posible aprendizaje de los participantes debido al estudio autónomo de la asignatura o a la asistencia a clases teóricas de la misma). Las preguntas de ambos tests son las mismas, ya que, como indica el metaanálisis de Wilson y Putnam (1982), el pretest no tiene efectos significativos en el postest si la realización de ambos se distancia varios días. Asimismo, al tratarse de un estudio longitudinal, pretest y postest se emparejan utilizando una clave anónima.
El procedimiento de elaboración y validación del cuestionario sigue los pasos indicados por Smith et al. (2008). Para ello se realizó una revisión sobre: i) concepciones alternativas relacionadas con el concepto de pH en Educación Secundaria y en docentes en formación (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Boz, 2009; Carrizo et al., 2022; Kariper, 2011; Jiménez-Liso et al., 2000; Sesen y Tarhan, 2011), ii) preguntas del informe TIMSS (Trends in International Mathematics and Science Study) para 8º grado (14 años) y iii) objetivos de aprendizaje sobre el pH incluidos en el currículo de Educación Secundaria. Estas revisiones se centran en Educación Secundaria, dado que esta etapa es la última en la cual la mayoría de los participantes cursaron asignaturas de ciencias. Tomando como referencia los resultados de estas revisiones, se elaboraron las preguntas, que fueron revisadas por profesores universitarios de Didáctica de las Ciencias Experimentales.
Las pruebas estadísticas y gráficas se han realizado con el software JASP 0.14.1. Teniendo en cuenta que los datos no se ajustan a una distribución normal -p-valor<0.05, test de normalidad Kolmogorov-Smirnov-, se emplea estadística no paramétrica. Se emplea la prueba de Wilcoxon para datos apareados para comprobar si existen diferencias significativas entre las calificaciones -totales y por pregunta- del pretest y del postest. La distribución de las calificaciones se representa mediante diagramas de caja y violín. Para el análisis de las concepciones alternativas, se ha establecido como criterio que una concepción alternativa está extendida cuando más del 50 % de los alumnos contesta mal a la pregunta relacionada con dicha concepción.
Descripción de la intervención didáctica
La intervención didáctica ha sido diseñada de acuerdo con un enfoque STEM y siguiendo la metodología de indagación acoplada. Según Martin-Hansen (2002), la indagación acoplada es un modelo didáctico que se puede desarrollar en 5 fases, desde el planteamiento del problema al alumno hasta la evaluación del mismo: 1) invitación a la indagación, 2) indagación guiada, 3) indagación abierta, 4) resolución del problema y 5) evaluación. Toma y Greca (2016) emplean estas fases para trabajar las distintas áreas STEM (Figura 1).
La práctica comienza con la fase 1 -invitación a la indagación-, en la que el profesor, partiendo de una situación cotidiana, plantea un problema de ingeniería -diseñar y construir un artefacto medidor de pH-. Este problema sirve de contexto para trabajar, a lo largo de la intervención y mediante las distintas fases de indagación, los contenidos de ciencia, tecnología y matemáticas (Figura 1). La situación cotidiana planteada al inicio es: “Hoy has acudido al médico porque te encontrabas mal y tenías fiebre. Entre las pruebas realizadas, el médico ha introducido un papel en una muestra de tu orina y el papel ha cambiado de color. El médico ha diagnosticado que tienes una infección de orina. ¿Cómo ha podido llegar a este diagnóstico?”. Esta situación cotidiana sirve al docente de punto de partida para, mediante un debate guiado, plantear a los alumnos el problema de ingeniería relacionado con la construcción de un medidor de pH.
Tras esto, se inicia un debate guiado en el que los alumnos exponen soluciones argumentadas. El profesor actúa como guía: matizando, avalando, ampliando y/o cuestionando las aportaciones de los alumnos. Asimismo, fomenta su participación, con el fin de activar sus conocimientos previos y potenciar el aprendizaje entre iguales. Este proceso también permite al docente identificar los conocimientos previos y las posibles concepciones alternativas. El docente conduce el debate con nuevas preguntas con las que trabajar los conceptos científicos, de diferentes materias, relacionados con el problema (Tabla 1). Los alumnos, organizados en parejas, responden a las preguntas utilizando sus conocimientos previos y realizando búsquedas bibliográficas con sus dispositivos móviles. Las preguntas formuladas, los conceptos abordados en estas y la profundidad con la que estos se tratan pueden variar en función del nivel educativo de los alumnos y de sus conocimientos previos. Los conceptos científicos necesarios para comprender la intervención, descrita en esta contribución, se corresponden con los adquiridos durante la Educación Secundaria (12-18 años). Por ello, su implementación es viable en Educación Secundaria Obligatoria (12-16 años), en Bachillerato (16-18 años) o con alumnos que cursan asignaturas científicas en grados de ciencias sociales -como los estudiantes del Grado en Educación Primaria participantes de este estudio-.
Tabla 1 Ejemplos de conceptos de química, biología, física y matemáticas, así como sus implicaciones CTS, que se pueden trabajar durante la intervención en función del nivel de los alumnos.
Una vez concluido el debate, el profesor plantea el problema de ingeniería que los alumnos tendrán que resolver: “Diseña y construye un mecanismo/dispositivo para medir el pH de cualquier sustancia”. Esto da paso a la fase 2 (indagación guiada), en la que los alumnos emplean instrumentos y dispositivos (tecnología) para diseñar y realizar experimentos (ciencia), y registran e interpretan datos (matemáticas) siguiendo las pautas del docente. Este introduce y explica las antocianinas como indicadores naturales de pH que están presentes en la lombarda o repollo morado (Brassica oleracea var. capitata f. rubra). A continuación, guía a los alumnos para que, por parejas, preparen un extracto acuoso de lombarda y observen los cambios de color que se producen al añadir gotas de una disolución de un ácido y de una disolución de una base (agua fuerte y lejía). Los alumnos anotan en su cuaderno el procedimiento seguido: concentración de la sustancia utilizada, número de gotas añadidas para obtener cambio de color, color obtenido, pH de la sustancia añadida… En esta fase, el profesor también guía a los alumnos en la realización de cálculos para preparar disoluciones, así como a calcular el pH.
La fase 3 (indagación abierta) se inicia con una discusión de los resultados de la fase 2. Durante esta, el profesor incita a proponer nuevos experimentos con una batería de sustancias ácidas y básicas -vinagre, zumo de limón, bicarbonato, amoniaco, sosa…-. Los alumnos, por parejas, emplean estas sustancias cotidianas para investigar libremente: emiten hipótesis sobre la naturaleza ácida o básica de las distintas sustancias, sobre los cambios de color que podrían generar, sobre el posible efecto de añadir un ácido y después una base o viceversa… Llevan a cabo nuevos experimentos con el extracto de lombarda para contrastar sus hipótesis, registran los resultados obtenidos -número de gotas, color resultante y pH de la sustancia-, interpretan los mismos y concluyen. Tras ejecutar estos experimentos, cada pareja obtiene una gama de diferentes colores y una sustancia cotidiana, ácida o básica de pH conocido asociada a cada uno (Figura 2). Con esto se inicia la fase 4 (resolución del problema): los participantes, tomando como referencia los resultados obtenidos, y teniendo la posibilidad de buscar información con sus dispositivos móviles, son capaces de explicar cómo funciona el papel medidor de pH que los médicos utilizan en el diagnóstico de infección de orina, que es determinada por un aumento en su pH.
En la última fase, la fase 5 (evaluación), el profesor pide a los alumnos que resuelvan el proyecto de ingeniería planteado. Los alumnos, a través de un debate guiado por el docente, son capaces de llegar a las conclusiones de que: i) en el medidor de pH debe haber una sustancia indicadora de pH y ii) es necesaria una escala de colores que asocie los distintos colores de la sustancia indicadora a valores de pH. Bajo la guía del docente, desarrollan su medidor de pH, para lo cual empapan tiras de papel de filtro de laboratorio con extracto acuoso de lombarda muy concentrado. Tras dejarlas secar, comprueban su funcionamiento determinando el pH de diferentes sustancias (agua del grifo, saliva, refrescos, cerveza, leche…) al comparar el color de la tira de papel con la batería de colores que obtuvieron en la fase de indagación abierta. Los valores de pH de diversas sustancias cotidianas y su correspondencia con los colores de las antocianinas pueden encontrarse en el trabajo de Mateus et al. (2009) (Figura 3).
Fuente: Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular
Figura 3 Gama de colores de las antocianinas de la lombarda según el pH de la sustancia añadida.
Para trabajar las relaciones CTS, el profesor plantea otro debate sobre un problema medioambiental: “¿Por qué está disminuyendo el pH de los océanos? ¿Cuál es la explicación química de esta disminución?” Los alumnos, tras buscar información, emiten sus respuestas argumentadas. El profesor dirige el debate, corrigiendo y matizando las respuestas, hasta llegar a la siguiente conclusión: el aumento antropogénico de CO2 en la atmósfera juega un papel fundamental en esta disminución. Posteriormente, guía a los alumnos para simular este proceso en el laboratorio: parten de extracto acuoso de lombarda con pH alcalino y observan cómo cambia el color del mismo cuando introducen en él CO2 de su espiración a través de una pajita. Empleando su batería de colores obtenida en la fase de indagación abierta, los participantes comprueban cómo la introducción de CO2 acidifica el extracto de lombarda. Tras esto, se reflexiona sobre los efectos ambientales de la acidificación de los océanos.
La intervención, dado que los alumnos son futuros maestros, termina con la enseñanza de los aspectos didácticos. Para ello se reflexiona sobre cómo se ha implementado el enfoque STEM y cómo se ha integrado con las 5 fases de la indagación acoplada, así como sobre la potencialidad didáctica de ambas metodologías en el nivel educativo de Educación Primaria.
Resultados y discusión
El análisis de las respuestas de los participantes al cuestionario apoya la efectividad de la práctica, dado que la nota aumenta significativamente después de la intervención, desde una media de 2.59 en el pretest a una media de 5.05 en el postest -la mediana aumenta de 3 a 5, p-valor<0.001, test de Wilcoxon- (Figura 4).
Figura 4 Diagramas de cajas y de violín que representan la distribución de las notas del pretest (naranja) y del postest (gris). La recta horizontal dentro de cada caja representa la mediana. La curva del violín representa la densidad de puntos. Las líneas horizontales sobre cajas unen grupos diferentes (***p-valor<0.001, test de Wilcoxon).
El análisis individual de las preguntas apoya estos resultados, teniendo en cuenta que se observan aumentos significativos en el porcentaje de aciertos de la mayoría de las preguntas (Tabla 2). En el pretest, ninguna pregunta es contestada correctamente por más del 50 % de la muestra -solo una pregunta se acerca a un tercio de las respuestas correctas-, resultados que podrían indicar una falta inicial de conocimiento sobre los conceptos y fenómenos naturales relacionados con el pH. Este análisis del pretest permite detectar la presencia de algunas concepciones alternativas, teniendo en cuenta el porcentaje de alumnos que selecciona una respuesta incorrecta, como:
El pH de las soluciones biológicas no se mantiene constante (53.6 %, pregunta 1) o se regula a través de la sosa (28.6 %, pregunta 2), los electrones (23.2 %, pregunta 2) o la sal de mesa (8.9 %, pregunta 2).
El aumento de CO2 en la atmósfera debido a la acción humana provoca un aumento del pH de los océanos (64.3 %, pregunta 3).
Es peligroso ingerir sustancias ácidas (21.4 %, pregunta 6), las soluciones alcalinas son inocuas (12.5 %, pregunta 6) o la lejía es ácida (8.9 %, pregunta 7).
Las sustancias con pH neutro nunca son peligrosas (12.5 %, pregunta 6) o son inertes (19.6 %, pregunta 8).
La piel tiene un pH neutro (46.4 %, pregunta 7).
Tabla 2 Resultados del cuestionario de conocimientos. Para cada pregunta se indica la respuesta correcta, el porcentaje de la muestra que la selecciona en el pretest y en el postest, y el p-valor de la prueba de Wilcoxon para evaluar si existen diferencias significativas entre ambos. En negrita, los porcentajes de acierto iguales o superiores al 50 % y los p-valor inferior a 0.05.
| Pregunta | Respuesta correcta | Pretest % | Postest % | p-valor |
|---|---|---|---|---|
| 1. El pH de las soluciones biológicas (sangre, orina, océanos…): | Se mantiene constante debido a que contiene sustancias que actúan como amortiguadores o tampones. | 19,6 | 62,5 | <0.001 |
| 2. El pH de los fluidos biológicos depende de: | La presencia de tampones como el bicarbonato. | 14,3 | 50,0 | <0.001 |
| 3. El aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera debido a la acción humana: | Tiene un efecto directo sobre la disminución del pH de los océanos. | 14,3 | 37,5 | 0.003 |
| 4. Respecto al pH, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?: | Cuanta mayor concentración de protones tiene la solución, menor es su pH. | 14,3 | 46,4 | <0.001 |
| 5. Respecto a los valores de pH, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?: | Tienen un valor de 1 a 14. | 21,4 | 85,7 | <0.001 |
| 6. Señala la afirmación correcta: | Existen alimentos habituales como la coca cola, que son muy ácidos. | 32,1 | 66,1 | <0.001 |
| 7. Respecto al pH: | El agua pura tiene un valor de pH de 7. | 19,6 | 41,1 | <0.005 |
| 8. Las sustancias con un pH neutro. | No son inertes, por tanto, pueden reaccionar con otras sustancias. | 23,2 | 37,5 | 0.07 |
Además, el análisis de las preguntas 4 y 5 revela dificultades para establecer la relación de los protones con el pH de una disolución y para interpretar los intervalos de pH.
En el postest, 4 de las 8 preguntas (preguntas 1, 2, 5 y 6) son respondidas correctamente por más del 50 % de la muestra, lo que apoya la superación de las concepciones alternativas y dificultades asociadas. Estas preguntas, al igual que otras 3 preguntas que no alcanzan dicho porcentaje (preguntas 3, 4 y 7), muestran incrementos estadísticamente significativos respecto al pretest (Tabla 2). Los resultados también muestran que algunas concepciones siguen presentes en el postest, concretamente:
El aumento de CO2 atmosférico debido a la acción humana provoca un aumento del pH de los océanos (53.6 %, pregunta 3).
La piel tiene un pH neutro (51.7 %, pregunta 7).
Las sustancias neutras son inertes (26.8 %, pregunta 8).
Asimismo, continúan las dificultades para establecer la relación de los protones con el pH de una disolución (pregunta 4).
En su conjunto, estos resultados respaldan la efectividad de la intervención diseñada. Esta efectividad puede deberse a sus características didácticas, tal como apoyan resultados de investigaciones previas. Así, se ha descrito que la inclusión de actividades experimentales puede mejorar la enseñanza del concepto de pH de una manera más efectiva que la enseñanza tradicional (Carrizo et al., 2022; Sesen y Tarhan, 2011). La validez de las actividades experimentales es aún mayor si se emplean enfoques activos (como la indagación), en los que los alumnos tengan que resolver problemas desarrollando investigaciones guiadas por el docente (Marcos-Merino et al., 2020; Martin-Hansen, 2002). Los debates dirigidos por este favorecen el aprendizaje entre iguales, que aumenta la comprensión y la memoria en mayor medida que el aprendizaje individual (Edelson et al., 2011). En cuanto a la inclusión de los aspectos CTS, las referencias a temas y productos cotidianos puede mejorar el rendimiento, ya que resaltan la aplicabilidad y la utilidad de los contenidos (Marcos-Merino et al., 2020; Hulleman y Harackiewicz, 2009). Asimismo, la inclusión de enfoques interdisciplinares, como el enfoque STEM, pueden favorecer la comprensión de los fenómenos naturales y mejorar el rendimiento (Kariper, 2011). Estos enfoques -experimentales, activos, CTS e interdisciplinares- han sido descritos como potencialmente motivadores para la enseñanza de la química (Marcos-Merino et al., 2020; Dávila et al., 2016), por lo que su posible influencia en la mejora de los aspectos afectivos -como emociones o autoeficacia- podría ser una posible causa que explicara la efectividad de la intervención.
Respecto a las concepciones alternativas sobre el pH, algunas de ellas inicialmente estaban extendidas, lo que concuerda con investigaciones previas que detectaron su presencia tanto en docentes en formación (Alvarado-Zamorano et al., 2013; Boz, 2009; Kariper, 2011) como en alumnos de Educación Secundaria (Carrizo et al., 2022; Jiménez-Liso et al., 2000; Sesen y Tarhan, 2011). Este resultado es preocupante y pone de manifiesto la necesidad de mejorar la formación científica de los futuros maestros sobre el concepto de pH, ya que los docentes son uno de los principales transmisores de las concepciones alternativas (Carrascosa, 2005). Abordarlas en su formación puede resultar clave para evitar la trasmisión de concepciones alternativas profesor-alumno. La inclusión de actividades experimentales, como las propuestas en esta contribución, pueden ayudar a disminuir su grado de dispersión (Sesen y Tarhan, 2011); aunque algunas siguen estando extendidas tras su implementación, ya que las concepciones alternativas son complejas de erradicar (Carrascosa, 2005).
La formación inicial de los docentes debe centrarse también en la didáctica del pH -entre otros aspectos, errores conceptuales más comunes en los alumnos, influencia del lenguaje y los medios de comunicación en los mismos, o metodologías didácticas para su enseñanza-. La inclusión de estas referencias a su futuro profesional puede contribuir a mejorar la motivación de los futuros docentes para el aprendizaje de este concepto (Marcos-Merino et al., 2020).
Conclusiones
La intervención STEM implementada mediante indagación acoplada, descrita en este trabajo, es efectiva en relación con el aprendizaje del concepto de pH de la muestra y a la disminución de la mayoría de las concepciones alternativas más extendidas sobre este concepto químico. Esta actividad experimental e interdisciplinar podría ser empleada para mejorar la enseñanza del pH y las concepciones alternativas relacionadas, así como para formar a los futuros docentes en la enseñanza mediante el enfoque STEM y la indagación. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que algunas concepciones alternativas siguen siendo frecuentes en la muestra tras su implementación, lo que hace necesario complementar la enseñanza del pH con otros recursos didácticos.
