Introducción

Los problemas ambientales presentan hoy en día una situación alarmante: fenómenos como la lluvia ácida, calentamiento global, deforestación, adelgazamiento de la capa de ozono (ACO) y la pérdida de biodiversidad, son aceptados por diversas instituciones mundiales como una amenaza para la preservación de la forma y calidad de vida que hoy tenemos (^{SEMARNAT, 2018}). Los gobiernos de diversos países se han unido para tratar de mitigar los efectos no deseados de los desequilibrios ambientales que la actividad humana ha provocado en el planeta. Acuerdos internacionales como el de Montreal (1989), el de Kioto (1997) o el más reciente de París (2015), son muestra de lo que el mundo debería hacer para frenar algunos de estos problemas.

Sin duda alguna una de las claves para frenar esta situación, es ser conscientes de ella y en este renglón, la educación científica es fundamental. Afortunadamente, hoy tenemos evidencia de que los acuerdos internacionales y la conciencia social e individual dan frutos. La disminución alarmante de ozono estratosférico que se identificó en los ochenta se ha logrado mitigar gracias a los acuerdos tomados en el Protocolo de Montreal, principalmente por la prohibición de la producción y uso de sustancias que agotan el ozono, como los clorofluorocarbonos (CFC), usados en refrigeración o el bromuro de metilo, utilizado como fertilizante (^{Neale, 2020}; ^{WMO, 2022}).

La alfabetización científica debiera formar parte de las políticas públicas de nuestro país y procurarse en todos los niveles educativos, particularmente en el Nivel Medio superior, ya que, desafortunadamente, estos serán los últimos cursos de ciencia que tengan las dos terceras partes de los jóvenes que, si bien terminaron el bachillerato, no tienen la oportunidad de continuar con estudios de licenciatura y de ahí la importancia del bachillerato como el último nivel de estudio para construir una cultura científica en nuestros ciudadanos.

Con la finalidad de mapear si los problemas ambientales que se estudian en el bachillerato son de interés nacional, en 2017 se visitaron los sitios web de la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y sus equivalentes en los Estados Unidos y España, para buscar entre los comunicados y noticias publicadas, menciones explícitas de dichos problemas. La Tabla 2 condensa los resultados obtenidos:

Como se observa, el acuerdo de estos tres países sobre los problemas ambientales relevantes prácticamente es total.

El siguiente paso fue analizar los planes y programas de estudio de las licenciaturas de la Facultad de Química (FQ) de la UNAM y de sus dos subsistemas de bachillerato: Escuela Nacional Colegio de Ciencias y Humanidades (ENCCH) y Escuela Nacional Preparatoria (ENP), que se encontraban vigentes, con la intención de indagar qué problemas ambientales se estudiaban y a cuáles se les daba preferencia. Lo que se observó fue que, si bien hay concordancia en los temas estudiados con los tratados en las páginas gubernamentales, el estudio de estos se hace de manera fragmentada en distintas asignaturas, como biología, química y protección ambiental, y no se contempla una propuesta de estudio que integre los conocimientos adquiridos.

Es importante mostrar casos a los estudiantes que integren los conceptos clave necesarios para comprender cada problemática ambiental desde la ciencia y su relación con la sociedad. Por ello, se propuso realizar una investigación con varios objetivos: primero identificar la manera en que los estudiantes de bachillerato de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) observan un problema ambiental teniendo en cuenta que es un sistema complejo y, posteriormente, proponer una secuencia de enseñanza aprendizaje orientada a propiciar una mejor comprensión y un aprendizaje significativo del problema.

Como punto de partida para este estudio, se eligió el adelgazamiento de la capa de ozono (ACO) debido a que su estudio involucra una gran cantidad de conocimientos fisicoquímicos, reacciones fotoquímicas y por supuesto, un premio Nobel mexicano.

¿Qué propone la investigación educativa sobre la enseñanza de temas ambientales?

McKeown-Ice (2009) propone doce preguntas guía para la enseñanza, aprendizaje y evaluación de los temas relativos a problemas ambientales en el bachillerato:

La autora comenta que es recomendable extender el enfoque del problema ambiental y analizar sus implicaciones sociales, económicas y políticas, así como las causas históricas y científicas. Por otro lado, el hacer notar a los estudiantes, la relación entre el problema ambiental y su vida diaria puede ayudar a propiciar la motivación para aprender acerca de él.

^{Cotton (2006)} indica que la actitud del docente es de suma importancia para la enseñanza de temas controversiales como los ambientales y por ello recomienda considerar tres aspectos clave:

En ^{2013, en los Estados Unidos se publicaron los Estándares de Ciencia de Próxima Generación} (NGSS, por sus siglas en inglés), cuyo objetivo era identificar cómo es que los estudiantes aprenden ciencia, para mejorar el currículo escolar y proveer una estructura que enfatizara la comprensión más profunda de un número menor de conceptos, pero más centrales. Estos estándares se basan en:

Por otro lado, ^{Zo’bi (2014)} resalta la importancia de utilizar como eje de enseñanza el enfoque de problemas socio-científicos, que son aquellos problemas sociales controversiales relacionados con la ciencia. “Esto tiene por objetivo mejorar la habilidad de toma de decisiones apropiadas acerca de los problemas discutidos, que son resultado del progreso científico y están relacionados con la ética” (p.114-115). Debido a que los problemas ambientales son problemas socio-científicos, este enfoque se aplica perfectamente.

Un par de años después, ^{Liu (2016)} propone que el tratamiento de temas ambientales en el aula debe ser integral y con un enfoque ciencia, tecnología, sociedad y ambiente (CTSA), debido a que “mejora las habilidades de toma de decisiones y solución de problemas, así como la participación cívica” (p.372). Es importante brindar a los estudiantes la información antecedente, adecuada y necesaria para facilitar el análisis y revisión de los temas. En clase de ciencias, dichos temas deberían presentar un punto de partida para desarrollar y explorar la indagación posterior, proveer una razón para la búsqueda de información y reflejar la naturaleza multidisciplinaria, el discurso y las actividades de búsqueda científica.

En conclusión, la literatura sugiere que la mejor forma de enseñar temas ambientales en el aula de ciencias es aquella en la que la (él) docente mantiene la neutralidad, balance y compromiso, utiliza el enfoque CTSA y considera el problema de manera integral, de forma que los estudiantes logren identificar las causas científicas, tecnológicas, sociales, económicas, históricas, políticas, etc., y además reconozcan el estado actual del problema, su naturaleza multidisciplinaria y las acciones que pueden realizar como individuos para contribuir a su mitigación.

Un buen principio. Las concepciones alternativas que presentan los estudiantes de bachillerato sobre el ACO

En los años 70, ^{Ausubel (1976)} propuso que para que el aprendizaje fuera significativo, la persona que aprende debe poder asociar el conocimiento nuevo con la información que ya posee, por lo cual, un buen principio de enseñanza es indagar las dificultades de enseñanza y aprendizaje, entre ellas las concepciones alternativas (CA) que los alumnos tienen sobre el tema a estudiar, para con ello tener una idea de qué saben del tema y cómo lo saben, y diseñar la propuesta educativa en consecuencia.

Según ^{Pozo (1998)}, las CA son constructos que las personas elaboramos para dar explicación de los fenómenos naturales que suceden a nuestro alrededor, ya sea porque dicha interpretación es necesaria para la vida cotidiana o porque se requiere mostrar cierta capacidad de comprensión ante cierta situación. De esta forma, los seres humanos conformamos explicaciones relativamente coherentes sobre la realidad, pero algunas de ellas son erróneas desde la perspectiva científica. Sin embargo, ^{Cordero (2001)} menciona que dichas concepciones deberían utilizarse como base para la enseñanza porque el conocerlas ayuda a los profesores a propiciar aprendizajes más significativos en sus estudiantes. De igual manera, ^{Sala y Papel (2010)} comentan que las CA fundamentan la significatividad del aprendizaje. ^{Talanquer (2005)} afirma que un profesor que desconoce las posibles CA de sus alumnos puede fácilmente utilizar un lenguaje o presentar ejemplos que las refuercen.

Por lo anterior, el siguiente paso en nuestra investigación fue indagar las concepciones alternativas que los estudiantes de bachillerato presentan acerca del adelgazamiento de la capa de ozono. Para ello, se realizó una búsqueda en la literatura especializada; se encontraron investigaciones al respecto de Argentina, Australia, Canadá, EUA, España, Grecia, Rusia, Suecia y Turquía, pero ninguna de estudiantes mexicanos y muy pocos de otros países latinoamericanos.

Aunque los artículos se publicaron en diversos países con profesores y estudiantes de varios niveles educativos, se observa una gran concordancia entre los resultados, lo cual confirma que las CA son independientes de la edad, sexo, nacionalidad y grado académico. En la siguiente tabla se muestra parte del resultado de esta investigación:

Frente a la escasez de estudios realizados con estudiantes latinoamericanos, se decidió hacer una investigación con los estudiantes de uno de los bachilleratos de la UNAM, el plantel 5 de la ENP. Para esta investigación, se adaptó un cuestionario tipo KPSI (knowledge prior study inventory) de opción múltiple que se usó en varias de las fuentes estudiadas (^{Groves & Pugh, 2002}) y se incluyeron tres preguntas abiertas con la intención de hacer una exploración más profunda sobre las ideas de los estudiantes.

El cuestionario se aplicó durante clase a tres grupos de 37, 35 y 33 estudiantes, de la asignatura de Química IV de la ENP, con edades entre 16 y 17 años, a través de un formulario de Google: (Cuestionario versión 1.pdf)

El análisis de las respuestas de los estudiantes a las preguntas abiertas fue muy enriquecedor y nos guio en el diseño de algunas de las actividades que integran la secuencia. Algunas de las ideas mencionadas por ellos son:

Por otro lado, el análisis de las respuestas a las preguntas de opción múltiple confirma y coincide muy cercanamente con las ideas reportadas en la literatura. Los estudiantes:

Este análisis nos llevó a plantear las siguientes hipótesis; los estudiantes:

Como se observa, existen ausencias conceptuales que no permiten a los estudiantes hacer un análisis adecuado del problema, sus causas y consecuencias. Aunado a esto, como demuestra ^{Gungordu (2017)}, los medios de comunicación masiva frecuentemente abordan los problemas ambientales de forma incorrecta, lo que evita que puedan proponer acciones de mitigación individuales, sociales y/o políticas.

Para la comprensión del adelgazamiento de la capa de ozono, es fundamental que los estudiantes comprendan que el espectro electromagnético está conformado por radiaciones con propiedades diversas y, por ello, al interactuar con la materia, los efectos son distintos. Es importante también que identifiquen las cuatro capas en las que se divide la atmósfera y observen sus características. Que conozcan las propiedades físicas y químicas del ozono y reconozcan que se trata de la misma sustancia en la troposfera y la estratosfera, pero forma parte de ciclos fotoquímicos diferentes. Que identifiquen a los CFC y los HCFC como los principales responsables del ACO. Finalmente, que propongan acciones de mitigación individuales, sociales y políticas con base en argumentos científicos construidos de la información anterior. Con estas ideas en mente se diseñó una secuencia de enseñanza aprendizaje (SEA) en la búsqueda de una comprensión más significativa de este tema en los estudiantes de bachillerato.

La secuencia de enseñanza aprendizaje

^{Méheut y Psillos (2004)} comentan que una SEA hace referencia al vínculo estrecho que existe entre la enseñanza propuesta y el aprendizaje esperado de los estudiantes, por lo que en su diseño debe considerarse el conocimiento científico y el de los alumnos. Es una propuesta de investigación e intervención y un producto que incluye actividades de enseñanza aprendizaje bien investigadas y empíricamente adaptadas al razonamiento y formas de aprendizaje de los estudiantes.

La secuencia que se estructuró para enseñar el tema consta de ocho actividades diseñadas con base en un esquema de prueba inicial-intervención-prueba final y se probó primero con los tres grupos de la ENP antes mencionados y en el ciclo escolar 2020-2021 se aplicó a un grupo de 20 estudiantes (17 años en promedio) de Química IV del Colegio Olinca (Sistema Incorporado de la UNAM) durante la pandemia de la COVID-19.

En la siguiente figura se presentan las actividades diseñadas y sus objetivos didácticos:

Actividad 1. ¿Qué sabe mi grupo sobre el ACO?

Este cuestionario se puede consultar en el siguiente enlace: Cuestionario previo SEA.pdf. Tras su aplicación se observa que todos los estudiantes están conscientes del papel protector de la capa de ozono y que el ACO es un problema real. El 88 % de ellos muestra un traslape conceptual con el calentamiento global y el 94 % con el cambio climático. Algunos estudiantes expresan que los gases de efecto invernadero son los responsables y otros que la capa de ozono regula la temperatura o la entrada y salida de gases de la atmósfera, mencionan incluso que ayuda a los seres vivos a respirar. Cerca del 30 % dice que desconoce la ubicación de la capa de ozono y 24 % la ubica a nivel troposférico.

Actividad 2. ¿Qué onda con las ondas?

Como tarea de la clase previa al inicio del tema, se pide a los estudiantes analizar un video y responder al cuestionario: Cuestionario del EE.pdf. La siguiente sesión se hizo una lluvia de ideas y se pidió realizar un diagrama del espectro electromagnético con lo visto en el video. Los resultados se clasificaron de acuerdo a los siguientes criterios:

Actividad 3. Las capas de la atmósfera. Ozono, ozono, ¿dónde estás?

Se dio a los estudiantes datos de temperatura atmosférica vs. alturas y se les solicitó hacer la gráfica correspondiente, después se proyectó la gráfica ante el grupo y se guio la discusión para que observaran que aproximadamente a los 12, 50 y 80 km ocurre un cambio en el signo de la pendiente y propusieran hipótesis de la importancia del hecho. El análisis de resultados de esta actividad es el siguiente:

Actividad 4. Las radiaciones afectan a la materia. ¿Buena onda o mala onda?

Los estudiantes utilizaron una animación de la Universidad de Colorado y respondieron un cuestionario guía. Las preguntas y la información de la animación tenían como objetivo analizar las radiaciones UV e IR y sus efectos sobre las moléculas de algunos gases presentes en la atmósfera, como O₂, N₂ y O₃. El análisis de las respuestas de esta actividad no brindó información relevante, sin embargo, en actividades posteriores fue evidente la utilidad de la simulación en las argumentaciones vertidas por los estudiantes.

Actividad 5. Reacciones fotoquímicas del ozono en la atmósfera

Se solicitó a los estudiantes que identificaran las propiedades de la troposfera y estratosfera y se explicaron las reacciones fotoquímicas que dan lugar a la formación y destrucción natural del ozono en estas capas. La discusión se centró en el análisis de que las reacciones tienen lugar gracias a las diferentes condiciones fisicoquímicas de cada zona. Finalmente, se explicaron las propiedades del ozono, y se discutió sobre su clasificación como contaminante criterio en la troposfera y su relación con el programa hoy no circula. La siguiente clase se solicitó que realizaran un modelo en el que explicaran las reacciones fotoquímicas en la troposfera y estratosfera. El análisis de las propuestas de los estudiantes, se resumen a continuación:

Actividad 6. CFC para adelgazar… ¡la capa de ozono!

Al final de la segunda sesión se proyectó una serie de imágenes de la NASA de concentración de ozono estratosférico sobre el Polo Sur, haciendo énfasis en las de 1979 y 1987 (^{Ozone Hole through the years, s. f.}), para evidenciar la disminución antinatural. Se dejó de tarea la lectura de un artículo acerca de la investigación de Mario Molina y Rowland Sherwood (^{McNeill, 2020}). Y se solicitó mayor investigación sobre el tema.

La dinámica de la tercera sesión se centró en el reconocimiento de que la investigación de Molina y Sherwood significaba un cambio drástico para las industrias que usaban los CFC, como son las de refrigeración, fabricación de espráis y polímeros expandidos, entre otras. Después se analizaron las reacciones fotoquímicas de la destrucción catalítica de ozono estratosférico debida a la presencia de CFC y HCFC, se mostraron modelos de moléculas de freones y sus características, puntualizando su inactividad química en la troposfera. Finalmente, se proyectó una simulación que muestra la formación de radicales cloruro en la estratosfera, a partir de la fotocatálisis de moléculas de CFC y se solicitó a los estudiantes hacer un modelo en el que explicasen los ciclos naturales de síntesis y descomposición de ozono en la estratosfera y de formación de ozono troposférico. Los resultados se resumen a continuación:

Actividad 7. Debate

La tarea para iniciar esta sesión fue realizar una investigación sobre el protocolo de Montreal. Se dividió al grupo en tres equipos cuyos roles fueron: la industria relacionada con los CFC, el equipo Molina-Sherwood y representantes del gobierno. El grupo se situó temporalmente en los años ochenta y el debate inició con la discusión de lo oportuno o no de que México firmara el tratado y avanzó hacia los resultados obtenidos por este.

Los estudiantes llegaron a conclusiones como las siguientes:

Si bien es evidente el uso correcto de conceptos relacionados con el ACO en los argumentos esgrimidos por los estudiantes, aún se observa en el 18% de ellos el empalme con el calentamiento global, por ejemplo:”… dejar de producir los CFC ayuda a disminuir la temperatura del planeta.”

Actividad 8. ¿Qué sabe mi grupo sobre el ACO ahora?

Como actividad de cierre de la secuencia, se aplicó el cuestionario inicial, con el objetivo de identificar si ocurrieron cambios o no en las explicaciones de los estudiantes sobre el fenómeno estudiado.

Análisis de resultados y conclusiones.

Tras la aplicación de la secuencia se observa una disminución en el porcentaje de estudiantes que presentan un traslape conceptual entre el adelgazamiento de la capa de ozono y el calentamiento global, no obstante, dicha confusión es bastante persistente. En cuanto al traslape entre ACO y cambio climático, 31.6 % de los estudiantes cambia de opinión, como se observa en la tabla de resultados obtenidos a partir del cuestionario:

Nos parece que esto se debe a que ahora tienen una mejor comprensión de las radiaciones del espectro electromagnético y cómo estas interactúan con algunas moléculas gaseosas presentes en la atmósfera. Además, conocer la composición de las capas de la atmósfera y las reacciones fotoquímicas que tienen lugar en cada una, permitió que algunos alumnos que consideraba al CO₂ como responsable del ACO cambiaran de opinión.

El 84 % de las explicaciones menciona la radiación UV, mientras que un 10.5 % aún presenta traslape con el calentamiento global: “… El ACO aumenta la temperatura del planeta”. Gracias a que se estudiaron las reacciones fotoquímicas, la totalidad de los estudiantes relaciona a los CFC con el ACO. Debatir acerca del fenómeno y las implicaciones que tuvo en un contexto CTSA motivó a los estudiantes y propició un aprendizaje más significativo de sus causas y efectos.

Al finalizar la secuencia, un 96 % de los estudiantes ubican correctamente la capa de ozono, a diferencia del 50 % inicial. Las respuestas que dieron los estudiantes muestran que reconocen y diferencian las radiaciones del espectro, en particular las UV. La composición de la capa de ozono aparece correctamente en el 94 % de las respuestas, en contraste con el 47 % inicial.

Tras el análisis de las reacciones fotoquímicas, el 21 % de las explicaciones de los estudiantes se vuelven más formales, por ejemplo: “no es como tal un adelgazamiento, sino que la cantidad de ozono disminuye en la estratosfera terrestre” o “es la disminución de la cantidad de ozono en la estratosfera”. Sin embargo, el 10.5 % presenta aún traslape conceptual: “está aumentando debido a que los gases de efecto invernadero destruyen las moléculas de ozono”.

Los estudiantes que pensaban con certeza que el ACO empeoraba por radiación solar que no puede escapar al espacio pasan de 23.1 a 5.9 %, mientras que la certeza de que lo anterior no sucede pasa de 15.4 a 47.1 %. Atribuimos este resultado a un mejor conocimiento de las radiaciones del espectro electromagnético y a haber estudiado las reacciones fotoquímicas relacionadas con el ozono atmosférico.

La secuencia presentada tuvo un impacto positivo en la construcción argumentativa de explicaciones de los estudiantes: algunas de las concepciones alternativas expresadas en la evaluación de inicio no se presentaron más. Mejoró considerablemente su comprensión de las radiaciones del espectro electromagnético y sus propiedades, ubican correctamente a la capa de ozono en la atmósfera e identifican a los CFC como principales responsables del adelgazamiento de la capa de ozono. Como bien se sabe, y en esta propuesta se puso en evidencia, las concepciones alternativas que los estudiantes presentan son persistentes y una sola intervención no basta para cambiarlas, por ello, sugerimos estudiar comparativamente los fenómenos ambientales que suelen confundir, para disminuir los traslapes conceptuales, así como utilizar estos temas ambientales como temas de cierre de unidad en los currículos del bachillerato.