Merc Izquierdo, Aureli Caamao, Mario Quintanilla (Ed.)

Departament de Didctica de les Matemtiques i de les Cincies Experimentals

Merc Izquierdo Aureli Caamao Mario Quintanilla(Editores)

Investigar en la enseanza de la qumica. Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar

Investigar en la enseanza de la qumica. Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar

Universitat Autnoma de Barcelona Departament de Didctica de las Matemticas i de les Cincies Experimentals ISBN 84- 920738-1-0

Investigar en la enseanza de la qumica Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar//

Research in chemistry teaching. News horizons: contextualizing & modelling

Universitat Autnoma de Barcelona Cerdanyola del Valls 2007

Editores Merc Izquierdo /Aureli Caamao/ Mario Quintanilla Copyright 2007 Editores y contribuidores Agustn Adriz-Bravo /Luiz Otvio F. Amaral /Aureli Caamao / Sibel Erduran / Josep Llus Estaa / Merc Izquierdo / Onno de Jong / Cristian Merino/ Eduardo Mortimer /Teresa Prieto/ Mario Quintanilla / Neus Sanmart / Jan Van Driel / Rod Watson. Impresin Universitat Autnoma de Barcelona Servicio de Publicaciones 08193 Bellaterra (Cerdanyola del Valls). Espaa sp@uab.es Http://publicacions.uab.es Compilacin y maquetacin Cristian Merino Primera edicin 2007 Impreso en Espaa. ISBN: 84- 920738-1-0 Depsito legal: B.26709-2007

ndice Presentacin Editores Modelizar y contextualizar el curriculum de qumica: un proceso en constante desarrollo Aureli Caamao Bonding epistemological aspects of models with Curriculum design in acid-base chemistry Sibel Erduran Growth of prospective chemistry teachers pedagogical content knowledge of particle models Onno de Jong & Jan Van Driel Conceptual profiles: a research program on teaching and learning scientific concepts Eduardo Mortimer & Luiz Otvio F. Amaral Trabajo prctico y concepciones de los alumnos: la combustin Teresa Prieto & Rod Watson Actividad qumica escolar: modelizacin del cambio qumico Merc Izquierdo, Neus Sanmart & Josep Llus Estaa Research and teaching practice in chemistry education: living apart or together? Onno de Jong Discusin en torno a un modelo para introducir la historia de la ciencia en la formacin inicial del profesorado de ciencias Mario Quintanilla, Merc Izquierdo & Agustn Adriz-Bravo Consideraciones finales entorno al debate3

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Presentacin Se renen en este volumen diversas ponencias sobre investigacin en enseanza de la qumica. La mayora de ellas han sido presentadas en el Seminario de investigacin sobre la enseanza de la qumica Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar 1 que se llev a cabo en abril de 2003 y slo una de ellas ha sido el resultado de un proyecto de cooperacin entre la Universitat Autnoma de Barcelona y la Pontificia Universidad Catlica de Santiago de Chile, en el cual se hicieron propuestas de formacin del profesorado de qumica segn ente mismo enfoque. Estas actividades fueron organizadas debido a una preocupacin compartida por todos acerca del estado actual de la enseanza de la qumica, que apenas se ensea en la Enseanza Primaria, presenta un elevado ndice de fracaso en la ESO (etapa 12-16 aos) y, al ser obligatoria en una sola modalidad de Bachillerato, es estudiada de manera preceptiva por un nmero cada vez menor de estudiantes, puesto que son pocos las que la escogen como materia optativa. Adems, y esto es lo ms importante para nosotros, la enseanza de la qumica se mantiene an en un nivel muy abstracto y formalizado, con lo cual presenta dificultades especficas que hacen muy difcil 'poner en contexto' los temas y seguir, en clase, un proceso de modelizacin en el cual la interaccin discursiva entre los estudiantes y los profesores tenga el lugar que se merece. La difcil situacin de la qumica en las aulas se corresponde con el cambio que estn experimentando sus alumnos. Se valoran ahora los conocimientos aplicados y gestin las informaciones que aparecen en los medios de comunicacin, los cuales resultan ms atractivos que los que provienen de una disciplina que se presenta mediante frmulas de difcil interpretacin para quienes son ajenos a los intereses especficos de la qumica. La qumica conquist su estatus de disciplina cientfica universitaria relativamente tarde, a lo largo de los siglos XIX y XX. Pero si tenemos en cuenta la importancia de las transformaciones qumicas en la vida cotidiana, en el arte y en la economa de los pueblos, la historia de la qumica se remonta a pocas muy remotas y debe reconocerse que,El Seminario fue organizado conjuntamente por el Departament de Didctica de les Matemtiques i de les Cincies Experimentals de la Universitat Autnoma de Barcelona (UAB) i el Collegi de Doctors i Llicenciats de Catalunya (CDL).1

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desde hace siglos, la capacidad de crear nuevos materiales ha formado parte del imaginario humano. La enseanza de la qumica tiene una historia an ms compleja. No hace mucho tiempo que la qumica tiene un lugar en la enseanza preuniversitaria y an ha de encontrar su lugar en la formacin obligatoria de los actuales ciudadanos. Siempre ha sido muy difcil ensear qumica a quienes no la practican, y si bien el 'invento' (relativamente reciente) de las frmulas y ecuaciones qumicas parece allanar el camino, en general no es as, porque debera conectar con una 'experiencia qumica' que no se adquiere mediante las pocas prcticas de laboratorio que estn previstas en los currculos actuales y que no todas las escuelas pueden llevar a cabo en condiciones ptimas. Las dificultades actuales al ensear qumica pueden interpretarse a la luz de estos planteamientos. Ensearla 'a todos' a base de frmulas y ecuaciones es, simplemente, imposible porque muy pocas persones llegan a intuir el significado de las entidades abstractas que las frmulas representan y su relacin con fenmenos del mundo real como por ejemplo la combustin, los procesos de limpieza, la cocina, los medicamentosPor esto a menudo las clases no funcionan del todo bien, se genera fracaso y, en consecuencia muchos buenos profesores se desaniman. Nuestro objetivo fue reflexionar sobre las buenas prcticas en la enseanza de la qumica en programas CTS o de ciencia integrada, en los cules las principales ideas se presenten a partir de problemas relevantes que puedan ser resueltos mediante un proceso de modelizacin. Para ello intentamos poner en comn algunas investigaciones que nos parecieron especialmente relevantes. Con todo ello, pretendemos poder legar a interpretar los principales fenmenos qumicos pero sin poner como condicin de partida el dominio del lenguaje simblico y la comprensin de un modelo atmico que est muy alejado del sentido comn y de cualquier teora fsica que pueda aplicarse a los objetos que nos rodean. Se perfila un camino para avanzar en esta direccin, tal como se desprende de las aportaciones de este volumen: identificar temas de inters social y tecnolgico que sean relevantes para la qumica y explicar los fenmenos qumicos seleccionados mediante una teora adaptada a las experiencias que pueden llevarse a cabo los centros y a las posibilidades cognitivas de los alumnos. Para que la innovacin y investigacin en didctica de la qumica avancen a la par, tal como creemos que debera suceder, se ha de establecer una relacin estrecha entre la universidad y las aulas, hasta el extremo de que, al6

menos en algn caso, el investigador y el docente sean una misma persona. Slo as van a poder detectarse los problemas propios de las aulas reales, que son los que deberan dar pie a la investigacin en didctica de la qumica. Cada captulo corresponde a una de las conferencias que se impartieron en el Seminario, con excepcin del ltimo de ellos, que es el resultado del trabajo conjunto con la Universidad Catlica de Santiago de Chile. Los presentamos brevemente a continuacin. Los dos primeros presentan los dos nuevos enfoques de la enseanza de la qumica que van siendo considerados imprescindibles: contextualizar (captulo 1) y modelizar (captulo 2). 1. Modelizar y contextualizar el currculum de qumica: un proceso en constante desarrollo. Aureli Caamao, Centre de Documentaci i Experimentaci en Cincies i Tecnologa, Barcelona, Espanya. En este captulo el autor describe de forma breve la evolucin sufrida por el currculum de qumica en la educacin secundaria en las ltimas dcadas, centrndose a continuacin en el debate sobre cules son las cuestiones clave de las que se ocupa la qumica y cules deberan de ser los contenidos bsicos del currculum de qumica. Propone que los procesos de modelizacin deberan constituir el eje fundamental de la construccin de los conocimientos qumicos de los cursos de qumica y que la contextualizacin de los contenidos es una necesidad ineludible para dotar de mayor relevancia a los currculos y justificar la importancia de los conceptos y mtodos qumicos cuyo aprendizaje se pretende. Algunas de las cuestiones clave de la qumica de carcter terico y prctico que el autor destaca son las siguientes: cmo podemos clasificar la diversidad de sistemas qumicos?, cul es la composicin y la estructura interna de las sustancias?, en qu consiste el cambio qumico?, cmo transcurren las reacciones qumicas?, qu cambios moleculares se producen?, por qu ciertas sustancias muestran afinidad por otras?, por qu ciertas reacciones tienen lugar hasta el final y otras se detienen antes de completarse?, qu criterio rige la espontaneidad de las reacciones qumicas?, cmo se enlazan los tomos para formar molculas o estructura gigantes?, cul es la geometra de las molculas?, de dnde proviene la energa que se desprende o se absorbe en las reacciones qumicas?, con qu velocidad tienen lugar y cmo podemos modificar su velocidad?, a travs de qu mecanismo o sucesin de reacciones elementales tienen lugar?, cul es la estructura interna de los tomos?, cmo7

interacciona la materia y la electricidad?, cmo interacciona la materia con la radiacin electromagntica?, cmo podemos conceptualizar la gran diversidad de reacciones qumicas que existen?, cmo pueden sintetizarse nuevas molculas y materiales? Se considera que los conceptos y modelos que se han elaborado para dar respuesta a estas cuestiones a lo largo de la historia y los mtodos que se han desarrollado para conseguirlo forman el cuerpo de conocimientos conceptuales y procedimentales de la qumica como ciencia, y que una parte sustancial de los contenidos curriculares de la qumica en la educacin secundaria y universitaria procede de la transposicin curricular y didctica que se hace de estos conocimientos y procedimientos. Y se destaca que los criterios de seleccin de los contenidos en los currculos actuales de qumica no pueden guiarse slo por la importancia disciplinar de los conceptos o procedimientos de la qumica como ciencia, y que es preciso plantearse con mayor nfasis que los procesos de modelizacin de los fenmenos y situaciones abordadas en los cursos de qumica constituyan el eje fundamental de estos cursos, a la vez que se presta mayor atencin a los siguientes contenidos: la naturaleza de la qumica como ciencia, la qumica como ciencia aplicada, la relacin de la qumica con el resto de ciencias, la relacin de la qumica con la sociedad, y la implicacin de la qumica en la consecucin de un desarrollo sostenible que respete el medio ambiente. Como ejemplos ilustrativos de proyectos que han intentado dar cuenta de estas dimensiones de la enseanza de la qumica, el autor hace referencia especialmente a dos de ellos: la Qumica Faraday, un proyecto elaborado en los aos 80, que se propuso desarrollar los conceptos qumicos de un curso de qumica de secundaria siguiendo su evolucin histrica y estableciendo un continuo contraste entre hiptesis y evidencias experimentales; y la Qumica Salters, adaptacin del proyecto ingls Salters Advanced Chemistry, realizada en el perodo 1995-1998, y caracterizada por adoptar un enfoque basado en el contexto y por proponer actividades prcticas contextualizadas. Despus de analizar brevemente las aportaciones y las limitaciones de estas experiencias, el autor considera que los cambios propuestos en los contenidos del currculum de qumica deberan ir acompaados de un mayor conocimiento de las dificultades de aprendizaje de los conceptos, modelos y procedimientos de la qumica, y de un uso ms eficaz de las estrategias didcticas y recursos disponibles para ayudar a superarlas, as como de mayores avances en una formacin del profesorado8

ligada a procesos de investigacin-accin sobre nuevos materiales de qumica contextualizados. 2. Bonding epistemological aspects of models with curriculum design in acid - base chemistry. Sibel Erduran, Kings College, London, United Kingdom. Sibel Erduran hace un repaso exhaustivo de la bibliografa sobre 'modelos ' y 'modelizacin' en la enseanza de las ciencias; recomienda introducir los modelos cientficos al ensear ciencias y, a la vez, hacer ver a los alumnos cmo y por qu se han construido estos modelos, proporcionando a los alumnos los recursos necesarios para que comprendan su valor epistemolgico. Se constata que, en qumica, se hace muy difcil ajustarse a este enfoque, porque los modelos (las frmulas, por ejemplo) se presentan a los alumnos como si proporcionaran un conocimiento real de los materiales, como si mostraran su autntica identidad; los conceptos qumicos se deducen de los modelos, cuando deberan ser los modelos los que dieran significado a las entidades qumicas. Finalmente, los modelos qumicos se acostumbran a identificar con las maquetas hechas con bolas y enlaces que simulan tomos enlazados para formar molculas; y estos modelos, fsicos, no logran conectar con las dificultades del cambio qumico. Tampoco es acertada la creciente implicacin de la mecnica cuntica, puesto que parece sugerir que la comprensin de la qumica depende del desarrollo de la mecnica cuntica. Y, finalmente, si bien se insiste en que 'la qumica es una ciencia experimental', pocas veces la experimentacin da lugar a una autntica actividad de modelizacin. Como aplicacin de la propuesta, y como sugerencia para superar estas dificultades, se presenta una actividad diseada para ensear qumica (cidos y bases) a travs de modelos y modelizacin, con la finalidad de que, adems de procurar la adquisicin de conocimientos qumicos, los alumnos adquieran los criterios, estndares y heursticos que permiten que el conocimiento qumico progrese; y muestra el proceso gracias al cual los alumnos llegan a interpretar las idea principales del tema. En cada una de las etapas de la actividad se introducen modelos muy bien caracterizados, cada uno de los cuales adquiere una funcin especfica en el proceso de enseanza y aprendizaje.

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Los dos captulos siguientes introducen una de las principales dificultades de la qumica: la intervencin de las molculas en los cambios qumicos (captulo 3) y la relacin entre los cambios de los materiales y las partculas (captulo 4). 3. Conceptual profiles: a research program on teaching and learning scientific concepts. Eduardo Mortimer & Luiz Otavio Fagundez Amaral, Universidad Federal de Minas Gerais, Minas Gerais, Brasil. En este captulo se presentan las lneas bsicas de un programa de investigacin mediante el cual se identifican las diversas zonas que constituyen el perfil conceptual de los conceptos cientficos, proponiendo como ejemplo el perfil conceptual de molcula qumica. Se asume, siguiendo a Bakthin, que coexisten, en un mismo individuo, diferentes significados para un mismo concepto o palabra, que se activan segn sea el contexto al que se aplica y que determinan su 'perfil conceptual. El aprendizaje, desde este punto de vista, consiste en la expansin de las zonas que constituyen el perfil a la vez que se toma consciencia de la multiplicidad de contextos y de significados y de la necesidad de establecer un dilogo entre todos ellos. Y, siguiendo a Vygotsky, se asume que en un mismo ambiente cultural se comparte una 'representacin colectiva' que hace posible la comunicacin y que se impone al sistema cognitivo individual: con ello se proporciona una dimensin social a los procesos mentales humanos. Para establecer el perfil conceptual de algunos de los principales conceptos cientficos (de molcula qumica, en el ejemplo que se propone aqu) se han diseado diversos instrumentos de investigacin, que han sido utilizados tambin para analizar propuestas de enseanza y de aprendizaje de estos mismos conceptos. En este ejemplo, las tres zonas del perfil conceptual se establecen a partir de la historia de la qumica y aparecen asociadas a 'los principios', a la 'substancializacin de las propiedades' y a una supuesta 'unidad formada por tomos estructurados'. Se muestra que cada una de ellas aporta algo de significado a la palabra 'molcula' Con todo ello se pone en cuestin la universalidad e independencia del contexto de este concepto bsico de la qumica y la necesidad de tener en cuenta puntos de vista complementarios para utilizarlo en diferentes contextos, a la vez que se comprenden mejor los obstculos ontolgicos y epistemolgicos que se derivan de enfoque10

estrictamente realista de las entidades cientficas que dificulta un correcto aprendizaje de las ciencias en la escuela. En base a estas consideraciones, centradas en la interaccin entre diferentes modos de pensamiento y de lenguaje, se pueden disear mejores estrategias para ensear qumica. 4. Growth of prospective chemistry teachers pedagogical content knowledge of models and modelling. Onno De Jong, Utrecht University, Utrecht & Jan Van Driel, Leiden University, Leiden. Netherlands. En este captulo se proporcionan resultados de un curso de formacin de profesores de qumica. Se analiza el desarrollo del Conocimiento Pedaggico del Contenido (Pedagogical Content Knowledge, PCK) en un grupo de 12 futuros profesores de qumica (todos ellos M.Sc.) durante un programa de postgraduacin para la formacin inicial de profesores. El Conocimiento Pedaggico del Contenido tiene dos componentes: el conocimiento de la estrategia de enseanza, que incluye las representaciones y las actividades necesarias para ensear un tpico determinado, y el conocimiento de los procesos de aprendizaje y de las dificultades de los alumnos a lo largo de este proceso. Es de suponer que ambos conocimientos interactan y que al conocer mejor las dificultades de los alumnos a partir de la prctica de la enseanza evolucionan y mejoran las estrategias de enseanza. Estos futuros profesores participaron en un curso organizado en cuatro etapas o mdulos sobre modelos y modelizacin en ciencias. Cada mdulo consisti en talleres institucionales conectados con experiencias de enseanza. En la primera etapa se discuti el PCK sobre modelos y modelizacin. En la segunda, se leyeron y discutieron artculos y libros sobre la enseanza de modelos y de modelizacin. En la tercera, se ensearon temas en los cuales se utilizaron modelos (partculas) y se sigui un proceso de modelizacin. Finalmente, en la cuarta, se discutieron los resultados de las lecciones que los profesores en formacin haban realizado en los centros de prcticas. Los datos de la investigacin se obtuvieron a partir de las respuestas escritas a las cuestiones que guiaron la investigacin, de las transcripciones de las discusiones y de los informes de las clases. Los resultados revelaron que los futuros profesores utilizaron sobretodo estrategias didcticas tradicionales que ya conocan previamente, para mostrar la relacin entre las partculas y los fenmenos a pesar11

de que, como tambin se demostr, conocan mayor las dificultades de aprendizaje de los alumnos en este tema especfico. As, a pesar de que la mitad de los estudiantes ya saban inicialmente que los modelos eran invenciones humanas apropiadas para ensear y conocan tambin las estrategias didcticas apropiadas para ensear a modelizar los fenmenos mediante partculas, no desarrollaron estos conocimientos a lo largo del curso de formacin, sino que se limitaros aplicar estrategias de enseanza ya conocidas y seguras. A continuacin se presentan dos artculos que se refieren a las dificultades que plantean los experimentos sobre cambios qumicos a los alumnos (captulos 5) y se hace una propuesta de modelizacin a partir de fenmenos ejemplares (captulo 6). 5. Trabajo prctico y concepciones de los alumnos: la combustin. Teresa Prieto, Universidad de Mlaga, Mlaga, Espaa & Rod Watson, King Collage, London, United Kingdom. En el captulo 5 Teresa Prieto y Rod Watson describen una investigacin sobre las concepciones acerca de la combustin de una muestra de estudiantes espaoles e ingleses y sobre el efecto del trabajo prctico sobre la comprensin de este fenmeno. Consideran que las concepciones de los estudiantes son constructos dotados de cierta complejidad y coherencia, la cual es preciso descubrir a travs de la investigacin. Para investigar estas ideas han construido un cuestionario abierto en que las cuestiones se centran en la naturaleza del proceso de combustin, los reactivos y productos de la combustin, la participacin del oxgeno en la combustin, aspectos de conservacin, y ejemplos aportados por los alumnos sobre sustancias combustibles y no combustibles. El anlisis de las respuestas lo realizan basndose en tres grandes categoras de explicaciones: explicaciones basadas en las ideas de reaccin qumica, de transmutacin y de modificacin, y teniendo en cuenta tres dimensiones: el papel del oxgeno/aire el fuego/llama, los reactivos y los productos de la reaccin. Por ejemplo, por lo que se refiere la interaccin y papel del oxgeno, encuentran alumnos que reconocen que la sustancia combustible y el oxgeno del aire interaccionan y forman parte de los productos de combustin (modelo de reaccin qumica), alumnos que creen que no existe interaccin entre el combustible y el oxgeno del aire, aunque el oxgeno pueda ser12

considerado necesario para que la combustin tenga lugar, tratndose de un proceso destructivo no reversible (modelo de transmutacin), y alumnos que creen que el oxgeno o el aire no estn implicados en el cambio y que el proceso es reversible (modelo de modificacin). Una comparacin entre las tipologa de explicaciones que encuentran en ambas muestras de alumnos pone de manifiesto diferentes grados de proximidad a la teora cientfica, desde los alumnos que no dan ninguna explicacin o que fallan en distinguir un cambio fsico de uno qumico, hasta los alumnos que dan una explicacin cientfica de un nivel adecuado a su edad. En su trabajo intentan identificar una progresin en la comprensin del proceso de combustin a travs de los modelos mentales descritos (abandonando el modelo de transmutacin y ganando conocimiento de la interaccin de los reactivos, la conservacin de la masa, el papel de los gases, etc.) y la comprensin del cambio qumico, al poder reconocer diferentes ejemplos de combustin. Posteriormente los autores indagaron cul puede haber sido el impacto de la experiencia escolar en un amplio rango de fenmenos relativos a la combustin sobre la comprensin de los alumnos de este proceso. Para ello realizaron una serie de entrevistas centradas en la experiencia prctica que los estudiantes han tenido sobre ejemplos especficos de combustin utilizados en un cuestionario y en la extensin en la cual los profesores utilizan trabajos prcticos realizados por los alumnos o bien demostraciones. Los resultados de estas entrevistas muestran que el enfoque didctico en el Reino Unido es mucho ms prctico que en Espaa y que aporta a los alumnos experiencias sobre aspectos de las reacciones qumicas que no son perceptibles en la vida diaria, tales como la implicacin de los gases en el cambio de masa de las sustancias en las reacciones de combustin. Tambin muestran la gran influencia de los ejemplos de combustin que los alumnos experimentan en su vida diaria, mientras que la influencia del trabajo de laboratorio tiene un impacto en la comprensin conceptual de los estudiantes, pero no en la medida que se podra esperar. Los autores concluyen que los resultados muestran claramente la utilidad del trabajo prctico para mejorar la comprensin de la combustin, aunque tambin evidencian que una proporcin alta de alumnos no consiguen, a pesar de ello, apropiarse de un modelo explicativo cientfico y apuntan como una posible razn de esta situacin el que no se dedique suficientemente tiempo a la interaccin de los estudiantes para discutir sus ideas.

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6. Actividad qumica escolar: modelizacin del cambio qumico'. Merc Izquierdo, Neus Sanmart & Josep Llus Estaa. Univesritat Autnoma de Barcelona, Barcelona, Espanya. En este captulo se da un nuevo significado a 'Modelo' y Modelizacin', que no contradice a la numerosa bibliografa existente sobre este tema ni se opone a las aportaciones que se hacen en los restantes captulos de este volumen, sino que la complementa. Se utiliza la historia de la qumica para presentar un episodio que sirve de ejemplo para el proceso de modelizacin gracias al cual emergieron los conceptos bsicos de qumica como elemento, sustanciagracias a los cuales 'hechos' que parecan desconectados entre si llegaron a constituirse en una trama de relaciones con sentido y se identificaron las 'reglas' que guan las acciones, las ideas y los lenguajes con los cuales se interviene de manera coherente en los fenmenos qumicos. En la propuesta didctica que se hace en este captulo se llama 'Modelo de Cambio Qumico' a un conjunto de afirmaciones o reglas de comportamiento conectadas a fenmenos qumicos seleccionados por su importancia conceptual y prctica, en los que los alumnos pueden intervenir y que les permiten representarse determinadas 'entidades qumicas' con las cuales dar razn de los cambios que se estn estudiando. Los fenmenos seleccionados van concretando la qumica que los alumnos puede hacer a lo largo de la escolaridad; con ello, la Modelizacin se vincula al diseo curricular. En el ejemplo de fenmeno ejemplar que se presenta, se introduce el cambio qumico a partir de la carbonizacin de la madera que se lleva a cabo en las aulas mediante una genuina actividad qumica escolar gracias a la cual los conceptos qumicos adquieren el sentido prctico y axiolgico que tuvieron en su origen y que da significado a la teora atmica qumica. Este conjunto de fenmenos llegarn a ser, todos ellos, modelos del Cambio Qumico Los dos ltimos captulos se refieren a la formacin del profesorado, que debera estar cercana a la investigacin (captulo 7) y ofrecer contenidos de historia y filosofa de las ciencias (captulo 8).

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7. Teaching practice and research in chemistry education: living apart or together? Onno de Jong, Utrecht University, Utrecht, Netherlands. En el captulo 7 Ono de Jong aborda el problema que plantea el problema de la distancia existente entre la investigacin en didctica de la qumica y la enseanza de la qumica, intentando buscar explicaciones a este hecho y proponer posibles acciones para superar esta situacin, basadas en establecer vnculos ms estrechos entre la investigacin didctica y la prctica docente. El autor analiza brevemente los orgenes de la investigacin didctica en qumica, que considera estuvieron influenciados por la reforma a gran escala del currculum de ciencias emprendido en los EEUU en los aos 50, y en el Reino Unido en la primera mitad de los aos 60. Estas reformas estaban fundamentalmente guiadas por el objetivo de presentar ms adecuadamente el cuerpo de conocimientos de la qumica en funcin de conceptos y principios qumicos bsicos, en lugar de basarse en largas series de hechos qumicos. Los nuevos materiales curriculares fueron desarrollados por equipos de qumicos y profesores de qumica con la colaboracin de especialistas de otras reas, como los de la psicologa del aprendizaje, pero falt la colaboracin de la investigacin en educacin qumica, por la simple razn que no exista. Sin embargo, este desarrollo curricular estimul el inters para aportar evidencia sobre los efectos de los nuevos currculos en el conocimiento y en la formacin cientfica de los estudiantes. Un desarrollo posterior de la educacin qumica en los aos 80 y 90 tuvo lugar como consecuencia de la emergencia de reas de investigacin como las concepciones alternativas de los estudiantes y sus formas de razonamiento, y el aprendizaje de los conceptos qumicos en contexto. Ejemplos de este ltimo enfoque lo constituyen proyectos curriculares como el Salters Chemistry o el ChemCom, que muestran una mayor preocupacin por el aprendizaje de los estudiantes y por la contribucin de la qumica a su cultura cientfica y a su formacin como futuros ciudadanos. El autor seala a continuacin que en aos recientes se ha producido un creciente inters en investigar las causas del distanciamiento existente entre investigacin y enseanza. Las razones encontradas pueden clasificarse en dos categoras: personales, expresadas desde la perspectivas del profesor o del investigador; y estructurales, expresadas desde una perspectiva comn. Respecto a las primeras, se seala que los profesores aducen que no tienen tiempo para leer los artculos de investigacin didctica y que, incluso si los leen, no15

disponen del tiempo para poderlos integrar en su prctica. Por otra parte, los investigadores alegan que se ven obligados a publicar los resultados de sus investigaciones en revistas especficamente de investigacin, que pocos profesores leen. Otra explicacin se encuentra en la forma en que los investigadores y los profesores ven el trabajo que hacen los otros. As los profesores tienden a pensar que los investigadores deberan proporcionarles soluciones concretas a sus problemas didcticos, y los investigadores tienden a creer que los profesores deberan ser capaces de transformar los resultados de las investigaciones en ideas tiles para la enseanza. Onno de Jong es de la opinin que uno de los factores estructurales ms importantes para explicar las dificultades descritas se encuentra en que la mayor parte de las investigaciones iniciales que se realizaron estuvieron basadas en teoras de aprendizaje que se centraron ms en los resultados del aprendizaje que en explorar la interaccin de los procesos de instruccin y aprendizaje, y que se ocuparon de aspectos didcticos generales no ligados a los contenidos. Onno de Jong finaliza el captulo sealando que en la ltima dcada el inters la investigacin se ha centrado en la perspectiva del aprendizaje como un proceso dinmico y social. Sin embargo, de acuerdo con el autor el valor de estas investigaciones depende de la naturaleza de los instrumentos de investigacin escogidos. La realizacin de cuestionarios y entrevistas a los estudiantes antes y despus de la instruccin son necesarios, pero no suficientes. Es preciso investigar el proceso de aprendizaje que se da en las propias aulas y potenciar una mayor comunicacin y colaboracin entre investigadores y profesores. Una posibilidad que se propone es iniciar desarrollos curriculares a pequea escala unidos con una investigacin en profundidad sobre los procesos de enseanzaaprendizaje que tienen lugar en su aplicacin, que puedan ser desarrollados y avaluados en colaboracin entre investigadores y profesores. De Jong cita como ejemplo de este tipo de investigacinaccin un proyecto holands sobre la enseanza y el aprendizaje de los conceptos de qumica en contexto, que se est realizando utilizando mdulos como el que trata del estudio de los materiales sper absorbentes, detrs del cual se encuentran conceptos relacionados con la qumica orgnica, los polmeros y el carcter hidroflico de las sustancias. Este tipo de investigacin es un ejemplo de investigacin-accin que puede contribuir a establecer un puente entre la investigacin y la prctica.

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8. Discusin de un modelo terico- metodolgico para introducir la historia de la ciencia en la formacin inicial del profesorado de ciencias. Mario Quintanilla, Pontificia Universidad Catlica de Chile, Santiago, Chile; Merc Izquierdo, Univesritat Autnoma de Barcelona, Barcelona, Barcelona, Espanya & Agustn Adriz- Bravo, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina. En este captulo se propone que la formacin del profesorado de ciencias incluya, adems de los conocimientos en una disciplina cientfica, conocimientos de otras disciplinas que constituyen una mirada sobre las ciencias: la historia, la filosofa y la didctica y que son llamadas, por ello, 'metaciencias'. En concreto, los autores se refieren aqu a una de ellas, la historia de las ciencias; sin embargo, se hace de tal manera que la conexin con las otras dos sea imprescindible y necesariamente complementaria. Se argumenta una propuesta de formacin del profesorado en 10 etapas recurrentes dando lugar al diseo 'en espiral' que es ya clsico en la didctica de la ciencias. Estas etapas contemplan alternativamente la formacin en metaciencias y la formacin profesional. En las primeras etapas, esta formacin es descriptiva, basada en el conocimiento de determinados episodios tanto de la historia como del oficio de profesor. Poco a poco se avanza hacia la construccin de un modelo de ciencia segn el cual el conocimiento cientfico emerge en un determinado contexto, orientado por preguntas y valores; en consecuencia, se plantea la necesidad de presentar este mismo modelo a los futuros profesores, haciendo que ellos mismos identifiquen los factores que harn que la ciencia escolar promueva tambin la emergencia de conocimiento teniendo en cuenta sus propios valores y objetivos. Todo ello tiene como consecuencia un mayor espacio para la metacognicin (anlisis del propio pensamiento profesional) para que, finalmente, el profesorado en formacin elabore una propuesta docente concreta en la que la reflexin histrica, epistemolgica y didctica colabora para dar una finalidad educativa a los conocimientos cientficos. Se proponen instrumentos especficos para sostener esta propuesta de formacin del profesorado: la Memoria Didctica y la V de Gowin; y se citan ejemplos concretos de unidades docentes que se han elaborado segn esta orientacin especfica. Finalmente, debemos referirnos a la modalidad bilinge que se ha escogido en este libro. Nos ha parecido innecesario llevar a cabo una17

traduccin de las ponencias originales, ya sean en castellano o en ingls. Creemos que es un ejercicio til para todos practicar la lectura en dos de las lenguas ms habladas, junto con el portugus, del mundo occidental y que los documentos bilinges contribuyen a recordar que la diversidad de lenguas es un bien precioso que merece el esfuerzo de intentar comprender lo que se nos dice en una lengua que no es la propia. Creemos que una publicacin como la que aqu se presenta puede ser til para los profesores, los investigadores y los editores de libros de texto, ofreciendo nuevas finalidades a la enseanza de la qumica a partir de las cuales se diseen nuevas actividades y nuevas pruebas de evaluacin, dando as lugar a nuevos perfiles profesionales docentes y de divulgacin. Agradecemos la colaboracin de las instituciones que han hecho posible la celebracin del seminario y esta publicacin. La colaboracin entre el CDL (el Colegio Profesional de los Profesores de secundaria), que ha impulsado importantes innovaciones docentes a travs del Centre Didctic de Cincies, y el Departamento de Didctica de les Matemtiques i de les Cincies, que tiene ya una larga tradicin, abre el camino para una conexin estrecha entre la investigacin didctica y la innovacin docente.

Los editores

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Captulo 1

Modelizar y contextualizar el currculum de qumica: un proceso en constante desarrollo

Aureli Caamao Centre de Documentaci i Experimentaci en Cincies i Tecnologia IES Barcelona-Congrs Departament dEducaci. Generalitat de Catalunya CDCE (Collegi de Drs. i Llicenciats de Catalunya) acaamano@xtec.catSUMMARY. This chapter briefly describes the evolution undergone by the chemistry curriculum for secondary education in the last decades. It then centres in the debate on which should be the basic contents of the chemistry curriculum. On the other hand, it proposes that modelling processes should constitute the fundamental axis of the construction of chemical knowledge in chemistry courses and that contextualisation of contents and STS approaches should be more and more present in the development of the chemistry curriculum. These proposals are illustrated with the critical review of some significant chemistry projects in the history of the chemistry curriculum in Spain, such as Faraday Chemistry and the adaptation of Salters Chemistry RESUMEN. En este captulo se describe de forma breve la evolucin sufrida por el currculum de qumica en la educacin secundaria en las ltimas dcadas, centrndose a continuacin en el debate sobre cules habran de ser los contenidos bsicos del currculum de qumica. Por otro lado se propone que los procesos de modelizacin constituyan el eje fundamental de la construccin de los conocimientos qumicos de los cursos de qumica y que la contextualizacin de los contenidos y los enfoques CTS estn cada vez ms presentes en el desarrollo del currculum de qumica. Estas propuestas son ilustradas con la revisin crtica de algunos proyectos de qumica significativos en la historia curricular de la qumica en Espaa, como la Qumica Faraday y la adaptacin de la Qumica Salters.

Introduccin Algunas de las cuestiones clave que se encuentran en el centro del debate curricular de la qumica en la educacin secundaria son las siguientes: Qu contenidos se tendran que ensear? Cul es el mejor contexto con que abordar los contenidos?19

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Qu dificultades de aprendizaje contenidos? Cules son las mejores estrategias conceptos y modelos qumicos?

comportan para

estos los

construir

En esta comunicacin abordaremos cul es la respuesta que se ha dado a las dos primeras preguntas en las ltimas dcadas y cules se estn dando en la actualidad, analizando los contenidos conceptuales y CTS que se consideran ms relevantes. Y describiremos brevemente algunas de las propuestas que se han desarrollado para elaborar modelos qumicos escolares en relacin a las evidencias experimentales, superando las dificultades que su aprendizaje supone. Cul es la qumica que se ha enseando en las ltimas dcadas? La qumica es una de las cuatro disciplinas bsicas del currculum de ciencias de la educacin secundaria. El currculum de qumica al igual que la del resto de disciplinas cientficas, ha sufrido en estas ltimas dcadas cambios importantes motivados por diferentes factores: los nuevos objetivos de la educacin secundaria definidos en las sucesivas reformas del sistema educativo, que enfatizan los objetivos de alfabetizacin cientfica de los estudiantes y la adquisicin de competencias. los resultados de la investigacin en didctica de la qumica las nuevas experiencias de innovacin curricular en qumica. el desarrollo de la propia qumica. Los aos setenta supusieron un cambio importante en el enfoque de la qumica a nivel internacional. En esta poca se potenciaron los aspectos conceptuales de la qumica, enfatizando los principios qumicos frente al conocimiento puramente descriptivo de las sustancias y de sus reacciones, y los procedimientos de la ciencia y el trabajo experimental, en el marco de una concepcin sobre la enseanza de las ciencias que se denomin descubrimiento orientado. De esta poca son los proyectos estadounidenses CBA, CHEM e IPS y los proyectos ingleses de la Fundacin Nuffield. Estos proyectos fueron traducidos al espaol con los ttulos de Sistemas Qumicos (1966), Qumica: una ciencia experimental (1972), Curso de introduccin a las ciencias fsicas (1973), Curso Modelo de Qumica Nuffield (1969-1972) y Qumica Avanzada Nuffield (1974-1976). Su20

difusin tuvo una indudable influencia en la enseanza de la qumica de la dcada de los setenta y principios de los ochenta, siendo fuente de inspiracin en Espaa de proyectos como la Qumica Faraday (Grup Recerca-Faraday 1988), basado en la secuenciacin conceptual de la qumica inspirada en la evolucin histrica de los conceptos y modelos qumicos y en la importancia del contraste de las hiptesis y las pruebas experimentales. La dcada de los 80 y parte de los 90 supuso la introduccin de la perspectiva constructivista del aprendizaje y la enseanza de las ciencias en la enseanza de la qumica, con la valoracin de las ideas previas de los estudiantes y el conocimiento de los resultados de una serie de investigaciones sobre las concepciones alternativas de los estudiantes. Se sugieren toda una serie de ciclos de aprendizaje que partiendo de las ideas previas de los estudiantes se plantean conseguir un cambio conceptual significativo. Esta visin implica una crtica a algunos aspectos del modelo de descubrimiento orientado, que no tena en cuenta que la interpretacin de las observaciones y de los experimentos viene condicionada por el marco terico previo de los estudiantes, es decir, por sus concepciones previas sobre los fenmenos que se les presentan o investigan. Como consecuencia de ello muchos de los proyectos y secuencias didcticas elaboradas en aos anteriores fueron revisados para incorporar el nuevo paradigma constructivista de enseanza de las ciencias. Por otro lado, a finales de los ochenta y principios de los 90 se comienza a introducir y experimentar unidades didcticas y proyectos basados en los objetivos de la educacin ciencia-tecnologa-sociedad, un enfoque que pretende una enseanza de las ciencias ms contextualizada e interdisciplinar, que tenga en cuenta la naturaleza de los conceptos y teoras cientficas, las aplicaciones de la ciencia y las relaciones entre la ciencia, la tecnologa y la sociedad (CTS). Sin embargo una apreciable renovacin de los contenidos y metodologa de la enseanza de la qumica no va a tener lugar en Espaa hasta bien entrada la dcada de los 90 con la introduccin de la reforma del sistema educativo. En efecto, al igual que en Espaa las reformas de los sistemas educativos en otros muchos pases abri un periodo de renovacin de los objetivos y contenidos de la enseanza de las ciencias y de la qumica en particular. En esta poca se elaboran proyectos de ciencias con fundamentacin constructivista y, en algunos casos, con carcter CTS para la enseanza secundaria obligatoria (Caamao, 2005) y proyectos de qumica para el bachillerato basados en el contexto, como los proyectos estadounidenses QumCom (Qumica en la Comunidad) y21

Chemistry in context, o el proyecto ingls Salters Advanced Chemistry (Pilling y Waddington, 2005), que es adaptado en diferentes pases, entre ellos Espaa (Grupo Salters 1999; Caamao, Gmez Crespo, Gutirrez Julin, Llopis y Martn Daz, 2001). En Portugal se ha aprobado recientemente un currculum de qumica claramente contextualizado (Costa et al. 2003) y en Holanda y en Alemania se han desarrollado unidades didcticas contextualizadas (Westbroek, Bulte y Pilot, 2001). En los primeros aos del 2000 muchos pases han proseguido procesos de reforma de sus sistemas educativos y de revisin del currculum de ciencias, poniendo el nfasis en la en la adquisicin de competencias y la formacin cientfica de los estudiantes con el objetivo de alcanzar niveles satisfactorios de alfabetizacin cientfica para todo el alumnado (Osborne, 2002). El proyecto internacional PISA que pretende en una de sus reas evaluar el nivel de formacin cientfica de los estudiantes de 15 aos define as la formacin o capacidad cientfica (trmino equivalente al de literaca cientfica o alfabetizacin cientfica): la capacidad de utilizar el conocimiento cientfico para identificar preguntas y obtener conclusiones a partir de pruebas, con la finalidad de comprender y ayudar a tomar decisiones sobre el mundo natural y los cambios que la actividad humana producen en l. As pues se considera que los estudiantes han de estar preparados para la comprensin de la naturaleza de la ciencia, de sus procedimientos, de sus puntos fuertes y de sus limitaciones, as como del tipo de preguntas a las cuales puede responder. Tambin se considera importante que los estudiantes sean capaces de argumentar y comunicar eficazmente sus conocimientos a audiencias concretas y que puedan tener opiniones fundamentadas y participar en los temas que se discuten en la sociedad. Todo ello est teniendo claras repercusiones en los objetivos del currculum de ciencias y, en particular, en el de qumica (Caamao, 2001a; 2001b, 2006; Breslow y Grritz, 2002; Bennett y Colman, 2002; Gmez Crespo, Gutirrez, Martn-Daz, 2003; De Vos, Bulte y Pilot, 2002; Caamao e Izquierdo, 2003; Bulte, de Jong y Pilot, 2005; Chamizo e Izquierdo, 2005), tanto en la educacin secundaria obligatoria como en el bachillerato, como veremos a continuacin. Las cuestiones clave de las que se ocupa la qumica y los contenidos del currculum La Qumica se ocupa del estudio de las propiedades y estructura de las sustancias qumicas y de las reacciones qumicas entre ellas. Su objetivo terico principal es modelizar la estructura de las sustancias y de los cambios qumicos con la finalidad de predecir el22

comportamiento de los sistemas qumicos. Pero, la qumica tambin tiene una finalidad prctica que es la obtencin de productos qumicos bsicos a partir de materias primeras y de nuevas sustancias con propiedades tiles (materiales, frmacos, cosmticos, detergentes, fertilizantes, pinturas, tintes, etc.). Para conseguir estos objetivos la qumica ha desarrollado mtodos de extraccin, de sntesis, de purificacin y de anlisis de las sustancias. La qumica tambin estudia las reacciones que tienen lugar en los seres vivos, los procesos qumicos geolgicos y los cambios qumicos que tienen lugar en la atmsfera, en la corteza terrestre y en la biosfera, e incluso en el universo. Es pues a la vez una ciencia central e instrumental para otras muchas ciencias (fsica, biologa, medicina, ciencias de la Tierra y del medio ambiente, astronoma, etc.). Por ltimo la qumica tiene una gran influencia en la calidad de vida de los ciudadanos tanto por los materiales y productos beneficiosos que proporciona como por los efectos que la fabricacin de estos productos puede producir en el medio ambiente. Para poder valorar cules son los contenidos conceptuales y procedimentales ms importantes que es necesario mantener en el currculum de qumica de secundaria puede ser til recordar cules son las preguntas clave que ha intentado responder la qumica y cules son los mtodos que ha desarrollado para darles respuesta. Algunas de estas cuestiones clave referidas a los aspectos tericos de la qumica son las siguientes: Cmo podemos clasificar los diferentes sistemas qumicos que se presentan en la naturaleza y en la industria qumica: mezclas, soluciones, sustancias, dispersiones? Cmo podemos separar e identificar las sustancias que se encuentran mezcladas en la naturaleza o en los procesos qumicos que conducen a su obtencin? Cul es la constitucin interna de la materia y las sustancias? Pueden las sustancias descomponerse en otras ms simples? Cul es su composicin? Cmo podemos determinar la cantidad de una sustancia? Cul es su estructura? Qu relacin hay entre las propiedades y la estructura de las sustancias en sus diferentes estados de agregacin? Cmo transcurren las reacciones qumicas? Qu cambios atmicos y moleculares se producen? De dnde proviene la energa que se desprende o se absorbe? Con qu velocidad tienen lugar y qu factores la modifican? A travs de que mecanismo o sucesin de reacciones elementales tienen lugar?23

Por qu ciertas sustancias muestran afinidad por otras? Por qu ciertas reacciones tienen lugar hasta el final y otras se detienen antes de completarse? De qu factores dependen las concentraciones de los sustancias en los sistemas qumicos en equilibrio? Cmo se alcanza el equilibrio qumico a nivel molecular? Qu criterios rigen la espontaneidad de las reacciones qumicas? Cmo interacciona la materia y la electricidad? Cmo interacciona la materia con la radiacin electromagntica? Cul es la estructura interna de los tomos? Por qu los tomos se unen para formar molculas? Cul es la estructura y geometra de las molculas? Cmo se enlazan los tomos para formar nuevas molculas y estructuras? Cmo pueden sintetizarse nuevas molculas y materiales? Los conceptos y modelos que se han elaborado para dar respuesta a estas cuestiones a lo largo de la historia y los mtodos experimentales que se han desarrollado para conseguirlo han formado el cuerpo de conocimientos conceptuales y procedimentales de la qumica como ciencia. Una parte sustancial de los contenidos del currculum de qumica procede de la transposicin curricular y didctica que se hace de estos conocimientos y procedimientos en la educacin secundaria y universitaria. Los objetivos generales de la educacin secundaria y el tiempo horario asignado a las asignaturas de qumica ( o a las de ciencias en etapas de la educacin secundaria ms iniciales) obligan a realizar una seleccin adecuada de estos contenidos conceptuales y procedimentales, lo que requiere tener en cuenta: su importancia en la estructura lgica de la disciplina, su potencial explicativo, su nivel de complejidad en relacin a la capacidad cognitiva de los estudiantes segn su edad, y tambin su relevancia funcional y social. En la prctica los contenidos que se imparten vienen establecidos por los currculos oficiales, la interpretacin que de ellos hacen los libros de texto y las pruebas externas, en el caso que las haya. Sin embargo, un margen ms o menos amplio de decisin queda a criterio del profesorado, sobre todo en lo que respecta al nfasis, el contexto y la profundidad con que cada contenido es tratado. Seleccin de conceptos y procedimientos versus contenidos CTS Diferentes autores han propuesto en los ltimos aos los contenidos conceptuales bsicos que creen que deberan formar la estructura24

disciplinar del currculum de qumica (Gillespie, 1997; Caamao, 2003a; Atkins, 2005). La mayor parte de estas propuestas se encuentran recogidas en un reciente artculo de Educacin Qumica (Padilla, 2006) que analiza la estructura conceptual de diferentes libros de texto (Grritz y Chamizo, 2001; Caamao y Obach, 2000; Qulez, 2006). La propuesta de Atkins (2005) es extraordinariamente sinttica y estrictamente basada en una lgica disciplinar. Propone nueve ideas centrales a partir de las cuales construir el currculum conceptual de qumica: la materia es atmica; los elementos presentan periodicidad en sus propiedades; los enlaces qumicos se forman cuando se aparean los electrones; la forma de las molculas; las fuerzas intermoleculares; la energa se conserva; la entropa tiende a aumentar; hay barreras energticas para que tengan lugar las reacciones: nicamente existen cuatro tipos de reacciones: transferencia de protones (reacciones cido-base), transferencia de electrones (reacciones redox), comparticin de electrones (reacciones entre radicales) y comparticin de pares de electrones (reacciones cido-base de Lewis). Efectivamente toda esta serie de conceptos y teoras son especialmente importantes en la estructura de la qumica como disciplina. Sin embargo, algunos de estos contenidos pueden estar presentados en los diseos curriculares oficiales y en los libros de texto con un formalismo excesivo, con aproximaciones que se han podido quedar obsoletas (Caamao, 2001a) o con enfoques que no tienen en cuenta las aplicaciones y relaciones de la qumica con la sociedad (Caamao, 2001b). Un buen criterio de seleccin de los contenidos conceptuales, complementario del de la lgica disciplinar, es preguntarse cules son los conceptos que son necesarios parar comprender los temas de qumica aplicada y de ciencia-sociedad que se consideran suficientemente relevantes para ser incluidos en el currculum. A continuacin exponemos algunas de las cuestiones CTS que pueden ser relevantes en el campo de la qumica, agrupadas en cuatro apartados: naturaleza de la qumica (Erduran y Scerri, 2002), qumica aplicada, qumica y sociedad, y qumica y otras ciencias. Naturaleza de la qumica Cul es la naturaleza de la qumica como ciencia? Cul es la gnesis y evolucin de los conceptos y teoras ms importantes? Qu influencia han tenido las tcnicas instrumentales disponibles en la evolucin de la qumica?25

Qumica aplicada Cules son las propiedades y aplicaciones de las sustancias ms importantes en la vida cotidiana? Cmo se obtienen los elementos qumicos (sustancias simples) a partir de los minerales y otras materias primas? Cmo se obtienen y qu propiedades, estructura y aplicaciones tienen los combustibles, los materiales cermicos, los metales, las aleaciones, los plsticos, las fibras, los frmacos, las pinturas, los cosmticos, etc.? Qumica, sociedad y medio ambiente Cules son los beneficios que la qumica aporta a la sociedad? Qu riesgos suponen y qu precauciones deben tomarse en la manipulacin de determinados productos qumicos? Cules son las repercusiones medioambientales de la obtencin de materias primas y de la industria qumica? Cules son los costes medioambientales del transporte y consumo de los combustibles fsiles? Cmo contribuye la qumica a potabilizar las aguas, tratar las aguas residuales y reducir la contaminacin producida por la propia industria qumica? La qumica y otras ciencias Cules son los procesos qumicos que han intervenido en la formacin y evolucin de la atmsfera, los ocanos y el relieve terrestre y en la composicin de los suelos? Cules son las molculas que forman los seres vivos? Cules son los procesos bioqumicos ms importantes? Qu es la ingeniera gentica? Veamos algn ejemplo de aplicacin del criterio de seleccin de contenidos conceptuales basado en su relacin con contenidos CTS. Supongamos que tuviramos que decidir si incluir o no en el currculum de bachillerato los siguientes conceptos: la interaccin de la radiacin electromagntica con las molculas en fase gas, los radicales qumicos, los derivados halogenados y las reacciones en cadena. Podramos preguntarnos qu fenmenos naturales importantes o qu campos de investigacin qumica actuales precisan del conocimiento de estos conceptos. Si, por ejemplo, pensamos que la disminucin de la capa de ozono es un problema de suficiente identidad para ser tratado en un curso de qumica y26

analizamos los conceptos qumicos que son precisos para entender los procesos naturales de formacin y desaparicin del ozono en la estratosfera y su proceso de destruccin por accin de los clorofluorocarbonos, podemos llegar fcilmente a la conclusin de que los conceptos citados anteriormente deberan estar en el currculum, al menos en el nivel mnimo necesario para comprender este fenmeno. Las disoluciones reguladoras del pH pueden ser un aspecto que se considere que no da tiempo abordar en el estudio de los equilibrios cido-base, pero en cambio desempean un papel muy importante en la qumica de los seres vivos y en el estudio de las reacciones enzimticas. Quizs no sea preciso saber calcular el pH de estas disoluciones, pero s comprender la forma en que actan para poder mantener el pH casi constante. Las reacciones de formacin de complejos pueden considerarse un tipo de reacciones no abordables en el tiempo disponible en el currculum de qumica de secundaria, sin embargo, su conocimiento resulta imprescindible si se quiere comprender la estructura de algunas macromolculas biolgicas tan importantes como la hemoglobina o la clorofila, o aplicaciones cotidianas o industriales de tanto inters como la eliminacin de la dureza del agua mediante la formacin de iones complejos. Los ejemplos que acabamos de comentar pueden bastar para evidenciar que la decisin sobre si un contenido conceptual debe estar o no presente en el currculum, depende en gran parte de la relevancia para comprender fenmenos y aspectos importantes relacionados con el medio ambiente, la vida cotidiana y la sociedad. Y que en muchos casos la cuestin no radica tanto en decidir su permanencia o supresin sino en precisar el grado de profundidad con que debera ser tratado, de acuerdo con los objetivos que se pretenden. Existe un amplio consenso en aceptar que si se desea una mayor comprensin de los conceptos y procedimientos de la qumica y dar cabida a los contenidos CTS y una mayor presencia del trabajo experimental, debe reducirse el formalismo con que se abordan determinados conceptos y a la vez incluir otros a un nivel cualitativo, pero suficiente para la comprensin de los fenmenos y hechos que se consideran relevantes para figurar en el currculum de qumica. En particular, convendra reflexionar si un excesivo nfasis en la formulacin y la nomenclatura, la igualacin de ecuaciones y la27

realizacin de clculos estequiomtricos y otros tipos de clculos, as como el hecho de centrar los exmenes externos en este tipo de actividades, no est impidiendo el desarrollo de un currculum de qumica ms equilibrado y relevante para la vida de los estudiantes como futuros ciudadanos y profesionales en muy diversas campos. El proceso de modelizacin: eje de la construccin de conocimientos La elaboracin de modelos qumicos es una de las actividades ms importantes que se realizan en las clases de qumica (Justi y Gilbert, 2002; Izquierdo y Aliberas, 2004; Gutirrez, 2004). Su uso es necesario para interpretar los hechos e imaginar los procesos microscpicos subyacentes al mundo material macroscpico (Prieto, Blanco y Gonzlez, 2000; Mortimer, 2000). Los modelos tericos estn enmarcados en teoras de los que son instrumentos explicativos con diferentes grados de sofistificacin. El modelo cintico-corpuscular de los gases, el modelo atmico-molecular de Dalton, el modelo de in, el modelo estructural de los diferentes tipos de slidos, el modelo de enlace qumico, los sucesivos modelos atmicos, el modelo de reaccin qumica (en sus aspectos corpuscular, termoqumico, cintico, de equilibrio, etc.), los diferentes modelos o teoras de cido y base, etc., son ejemplos de diferentes modelos que deben ser construidos en un curso de qumica. El proyecto Qumica Faraday (Grup Recerca-Faraday, 1988) se propuso desarrollar los conceptos qumicos de un curso de qumica de secundaria siguiendo su evolucin histrica y estableciendo un continuo contraste de las hiptesis con las evidencias experimentales. A continuacin se describe brevemente la secuenciacin conceptual de este proyecto. La naturaleza corpuscular de la materia se establece a partir de la interpretacin de las propiedades de los gases. El concepto de tomo y de molcula se postula para dar una primera interpretacin a la diferencia de comportamiento entre las substancias simples y los compuestos. Este modelo daltoniano es posteriormente revisado introduciendo la idea de molcula formada por tomos iguales y el concepto de estructura gigante. El concepto de estructura gigante se propone como una hiptesis para explicar las grandes diferencias entre las propiedades de las sustancias que son gaseosas o lquidas a temperatura ambiente, o bien slidas con baja temperatura de fusin, y las que son slidas con alta temperatura de fusin.28

El concepto de in se establece como una hiptesis capaz de interpretar hechos experimentales como la electrlisis y las propiedades de las soluciones de los electrlitos, integrando el modelo corpuscular de la materia y el modelo de carga elctrica (Caamao, Maestre 2004). Los modelos de estructura gigante metlica, covalente e inica se desarrollan para poder explicar las diferentes propiedades de los slidos metlicos, covalentes e inicos. El modelo de reaccin qumica se elabora a partir de la interpretacin atmico-molecular del cambio qumico. El concepto de energa de enlace se utiliza para la interpretacin del calor de reaccin. El concepto de electrn resulta de la interpretacin corpuscular de los rayos catdicos. Los primeros modelos del tomo se establecen a partir del anlisis de las experiencias de Thomson y Rutherford. El modelo de capas de electrones se construye a partir del anlisis de las sucesivas energas de ionizacin de los tomos. El modelo inico de electrolito en solucin se establece a partir de las evidencias experimentales que permitieron a Arrhenius proponer la teora de la disociacin inica y de evidencias experimentales posteriores. El modelo de cido y de base de Arrhenius se propone como una hiptesis sobre la composicin de los cidos y las bases en el marco de la teora de la disociacin inica para interpretar sus propiedades. El modelo electrnico de enlace qumico se construye a partir de las primeras hiptesis de Lewis y del concepto de valencia qumica. Los sucesivos conceptos de oxidacin y de reduccin y los modelos de reaccin redox se introducen a partir de la interpretacin de las reacciones de combustin y de oxidacin. Este proyecto, finalizado el 1988, constituye un excelente ejemplo de una propuesta didctica que toma la modelizacin como eje de construccin de los contenidos de un curso completo de qumica, siguiendo la evolucin histrica de los conceptos qumicos. En la actualidad sera interesante poder revisar sus presupuestos incorporando los resultados de la investigacin que se ha llevado a cabo posteriormente sobre concepciones y modelos mentales en qumica, e introduciendo la necesaria contextualizacin de los contenidos.

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La apropiacin de los modelos qumicos, es decir, la construccin de modelos mentales prximos a los modelos cientficos no est exenta de dificultades (Gutirrez, 2004). Las dificultades conceptuales que presenta el aprendizaje de la qumica pueden clasificarse en dificultades intrnsecas de la qumica, dificultades relativas al pensamiento y forma de razonamiento de los estudiantes y dificultades de aprendizaje atribuibles al proceso de instruccin (Caamao, 2004). Entre estas ltimas destaca la presentacin de modelos hbridos en los libros de texto o en las explicaciones del profesorado correspondientes a diferentes teoras. Investigaciones realizadas sobre las ideas de los estudiantes muestran que construyen modelos hbridos tomando ideas de diferentes modelos que se les presentan en interaccin con sus ideas previas. En un trabajo reciente (Caamao, 2003b) se describen tres reas conceptuales en las que se ha observado este proceso de hibridacin: modelos hbridos sobre la estructura y el enlace qumico (De Posada, 1993, 1999; Caamao, 1994; Taber y Coll, 2002), modelos hbridos de cidos y bases (Furi, Furi, Calatayud y Brcenas 2003; Pea, 2002), y modelos hbridos sobre la velocidad de reaccin entre la teora de colisiones y la teora del estado de transicin (Justi y Gilbert, 1999). De Vos y Pilot (2001) han sealado que los libros de texto de qumica adquieren a travs de los aos una complicada estructura conceptual que, como las rocas sedimentarias, muestra un nmero de capas sucesivas de conceptos, cada uno de ellos con su propia historia. Los conceptos introducidos en el contexto de una capa que puede referirse a un contexto experimental, conceptual o de aplicacin, se suelen solapar con ideas de otros contextos dando lugar a una estructura conceptual incoherente. Analizando el tratamiento que se da a los cidos y bases en los libros de texto, desde 1930 hasta 1990, han identificado hasta seis capas sucesivas: el contexto artesanal (experimental), el contexto de sntesis (xidos cidos y bsicos, Lavoisier), el contexto analtico (valoraciones cidobase), el contexto de Arrhenius (teora de la disociacin inica de Arrhenius), los contextos de Brnsted y de Lewis, y el contexto de la qumica aplicada (usos y aplicaciones de los cidos). Las ideas expuestas por estos autores tienen puntos de contacto con las descritas sobre la existencia de modelos hbridos. Otras reas conceptuales ampliamente investigadas han sido los conceptos de sustancia pura (Snchez y Valcrcel 2003), mezcla y compuesto (Sanmart, 1992), la naturaleza corpuscular de la materia (Harrison y Treagust, 2002), cambio qumico (Solsona y Martn, 2004), equilibrio qumico (Qulez, 1998, van Driel y Grber, 2002; Grritz y30

Raviolo, 2007), cintica qumica (Justi, 2002), electroqumica (de Jong y Treagust, 2002), y termoqumica y termodinmica qumica (Goedhart y Kaper, 2002). Algunas actividades de aprendizaje fundamentales Ms all de los tpicos problemas de clculo numrico y de algunas experiencias o prcticas ocasionales es necesario introducir en las clases de qumica un abanico ms amplio de actividades y reflexionar sobre la utilidad y efectividad de las que se vienen utilizando. Es necesario, dar una importancia mayor a las cuestiones cualitativas de comprensin conceptual, a las actividades de modelizacin de los fenmenos qumicos a partir del contraste entre hiptesis y evidencias experimentales, y a las actividades de argumentacin que permiten justificar los modelos establecidos. Y es necesario reorientar el trabajo prctico en una doble direccin: proponer trabajos prcticos de carcter investigativo (Watson, 1994; Caamao, 2002, 2005) que ayuden a realizar procesos de modelizacin (Sanmart, Mrquez, Garca, 2002), y contextualizar cada vez ms estos trabajos en relacin con los temas CTS que se aborden. Contextualizar los contenidos de qumica: una perspectiva ineludible Por contextualizar la ciencia entendemos relacionarla con la vida cotidiana, actual y futura, de los estudiantes y hacer ver su inters para sus futuras vidas en los aspectos personal, profesional y social. Esta finalidad de contextualizar la ciencia est estrechamente relacionada con el enfoque ciencia-tecnologa-sociedad (CTS) de la enseanza de las ciencias y con la finalidad de conseguir la alfabetizacin cientfica de los estudiantes. Y de hecho, la manera de utilizar el contexto- las aplicaciones de la ciencia y las interacciones entre la ciencia y la sociedad- permite diferenciar dos enfoques CTS de la enseanza de las ciencias: en uno se parte de los conceptos para interpretar y explicar el contexto, y en otro se parte del contexto para introducir y desarrollar los conceptos. Este ltimo enfoque, que es el que propiamente se denomina enfoque basado en el contexto (o las aplicaciones primero), est siendo ampliamente utilizado en los nuevos enfoques de la enseanza de la ciencia y de la qumica en particular, y empezando a ser introducida con diferente nfasis en las reformas curriculares de muchos pases (Benett y Colman, 2002; Bulte, de Jong y Pilot, 2005; Caamao, 2006; Qulez, 2006). Una de las ventajas que se aducen para promover este enfoque contextualizado en la enseanza de las ciencias, y de la qumica en31

particular, es la mayor motivacin que produce en el alumnado. Esta mayor motivacin parece ser til tanto para los alumnos de perfil ms acadmico como para los menos acadmicos, aumentado en todos ellos su inters por una qumica ms conectada con su vida cotidiana y la sociedad en que viven. El intento ms ambicioso en Espaa de contextualizar la qumica del bachillerato a partir de sus aplicaciones en el mundo actual ha sido la adaptacin y experimentacin de la Qumica Salters, un proyecto de qumica basado en el contexto, adaptado del proyecto ingls Salters Advanced Chemistry de la Universidad de York (Burton et al, 2000; Pilling y Waddington, 2005). Esta adaptacin fue realizada por un equipo de profesores de secundaria y de universidad de Barcelona, Madrid y Valencia, con el patrocinio de las administraciones educativas de Catalua, Valencia y del MEC (Grup Salters, 2000; Grupo Salters, 1999, 2000a, 2000b). El proyecto adaptado consta de ocho unidades: Elementos de la vida, Desarrollo de combustibles, De los minerales a los elementos, La revolucin de los polmeros, La atmsfera, Aspectos de agricultura, La qumica del acero y Los ocanos, y de dos actividades complementarias: la Visita a una industria qumica y un Trabajo de investigacin. Adems de las unidades complementarias La qumica de los medicamentos y La qumica del color (Caamao et al., 2003). La experimentacin de este proyecto en unos 30 centros de secundaria durante el perodo 199699 evidenci el gran inters de un enfoque de este tipo, pero tambin las dificultades de la introduccin de estos contenidos en el currculum de qumica actual, mientras no se expliciten ms claramente en las orientaciones curriculares y no vare la orientacin de la prueba de qumica de acceso a la universidad (Puigvert, 2000). El proyecto Qumica Salters ha sido adaptado y experimentado en otros pases como Eslovenia, Suecia, Rusia y Argentina (Pilling y Waddington, 2005), y ha inspirado proyectos y desarrollos curriculares similares en Alemania y en Portugal (Costa et al., 2003). El diseo curricular de qumica portugus para el bachillerato (16-18 aos) se caracteriza por ser uno de los ms avanzados del entorno europeo, despus del programa del proyecto ingls Salters Advanced Chemistry, en cuanto a la formulacin explcita de un enfoque basado en el contexto y tambin por enfatizar la importancia de las actividades experimentales. El currculum francs tambin muestra influencia de esta orientacin especialmente en los cursos correspondientes a los primeros aos de la educacin secundaria (de los 13 a los 16 aos), aunque sigue siendo muy disciplinar en los dos

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ltimos aos (17-18 aos), al igual que ocurre en Espaa (Caamao e Izquierdo, 2003). Conclusiones De acuerdo con las finalidades de la educacin secundaria que se han expuesto, los objetivos de la educacin qumica se centran actualmente en seleccionar los contenidos de qumica que deben estar presentes en un currculum equilibrado de qumica, mejorar la comprensin de los conceptos y modelos qumicos, contextualizar los contenidos, de manera que los estudiantes puedan adquirir conciencia de la utilidad y aplicabilidad de los conceptos y modelos que aprenden, y promover una mejor apreciacin de la naturaleza de la qumica y sus implicaciones sociales. Por otro lado se investigan nuevas estrategias didcticas que tengan en cuenta las dificultades de aprendizaje de los estudiantes y su motivacin y estilos de aprendizaje. Entre ellas tienen especial importancia las que se plantean cmo enfocar la elaboracin de modelos, la resolucin de situaciones-problema, la realizacin de actividades prcticas investigativas, el uso de la argumentacin en la aceptacin de las hiptesis y modelos, y la utilizacin de las nuevas tecnologas de la informacin y de la comunicacin. El proceso de actualizacin y reequilibrio de los contenidos del currculum de qumica en la educacin secundaria est siendo abordado con diferentes estrategias y ritmos diferentes en cada pas, si bien podemos decir que es un objetivo claramente establecido en la comunidad de educadores, formadores y planificadores del currculum de qumica, e investigadores en didctica de la qumica. La introduccin en el currculum de qumica de contenidos CTS relevantes requiere cambios importantes en la estructuracin de las materias y adoptar estrategias que permitan superar las dificultades detectadas en las experiencias innovadoras llevadas a cabo hasta el momento. Es necesario promover en el profesorado una reflexin profunda sobre los objetivos de la qumica en la educacin secundaria, que permita apreciar la importancia de enfocar la enseanza de la qumica desde la perspectiva de elaboracin de modelos, contrastando ideas y evidencias experimentales, y haciendo uso de la argumentacin, as como la necesidad de un enfoque contextualizado basado en las aplicaciones de la qumica y en su relacin con otras ciencias.

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Los cambios propuestos en los contenidos de qumica sera necesario que fueran acompaados de un mayor conocimiento de las dificultades de aprendizaje de los conceptos, modelos y procedimientos, y de un uso ms eficaz de las estrategias didcticas y recursos disponibles para ayudar a superarlas. De esta manera conseguiramos una mayor comprensin de los principios de la qumica, de sus procedimientos y de sus aplicaciones, y contribuiramos a conseguir una mejor formacin y cultura cientfica de los estudiantes. Afortunadamente cada vez es mayor el nmero de colectivos de profesores, de elaboradores de materiales curriculares y de investigadores en didctica de la qumica interesados en reflexionar, debatir y replantearse el currculum de qumica desde estas nuevas perspectivas de la educacin cientfica. Esperemos que estos esfuerzos se concreten en currculos ms contextualizados, nuevas propuestas didcticas y nuevos materiales curriculares, y mejores oportunidades de formacin a travs del trabajo conjunto de seminarios de innovacin, grupos de desarrollo curricular y grupos de investigacin. La celebracin de este Seminario internacional de Investigacin en la enseanza de la qumica, organizado por el Departamento de didctica de las ciencias de la UAB y el Centro Didctico de Ciencias Experimentales del Colegio de Doctores y Licenciados de Catalua es un buen ejemplo del inters existente en la renovacin del currculum de qumica y del trabajo que ya se est haciendo en esta direccin. Referencias ATKINS, P. (2005). Skeletal chemistry, Education in Chemistry, 42, 1, p.20 y 25. BENNETT, J. y HOLMAN, J. (2002). Context-based approaches to the teaching of chemistry: what are they and what are their effects? en J.K. Gilbert et al. (eds.): Chemical Education: Towards research-based practice. Kluwer. Dordrecht. BRESLOW, R. y GRRITZ, A. (2002). Algunos retos de la qumica en el siglo XXI. Educacin Qumica, 13, 4, pp. 222-225. BULTE, A., DE JONG, O. y PILOT, A. (2005). A development research approach to designing a chemistry curriculum using authentic practices as contexts. Comunicacin presentada en la conferencia de ESERA. Barcelona. Setiembre 2005. BURTON, G., HOLMAN, J., LAZONBY, J., PILLING, G. y WADDINGTON, D. (2000). Salters Advanced Chemistry. 2 edicin. Oxford: Heinemann.34

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Captulo 2

Bonding epistemological aspects of models with curriculum design in acid-base chemistry

Sibel Erduran University of Bristol, Graduate School of Education sibel.erduran@bristol.ac.ukSUMMARY. Even though the significance of models and modelling in chemistry has been acknowledged and promoted in chemistry education, epistemological aspects of models as learning outcomes have been underemphasized in the curriculum. For instance, such features of models as projectability and compositionality which can be decisive epistemological criteria in model evaluation have neither been promoted in the chemistry curriculum nor explored in students thinking. In this chapter, a study is described to illustrate the design and implementation of a curriculum unit that fosters epistemological reasoning in the context of modelling acids and bases. The results of the study suggest that middle-school students are capable of employing epistemological criteria in modelling acids and bases, and furthermore that engagement in tasks that foster epistemological reasoning could be instrumental in improving students conceptual understanding of models. Implications for curriculum design, theory of learning and teacher education are discussed. RESUMEN. A pesar de que se ha reconocido la importancia de los modelos y la modelizacin en qumica y se ha promovido en la educacin qumica, los aspectos epistemolgicos de los modelos como punto de partida para el aprendizaje han tenido poca presencia en los planes de estudios. Algunas caractersticas de los modelos como por ejemplo, la proyectabilidad y la composicionalidad, que pueden ser criterios epistemolgicos decisivos en la evaluacin de los modelos, no se han introducido en el plan de estudios de qumica ni se han explorado en el pensamiento de los estudiantes. En este captulo, se describe un estudio como ejemplo de diseo y la puesta en prctica de una unidad didctica que fomenta el razonamiento epistemolgico en el contextote modelizacin de cidos y bases. Los resultados del estudio sugieren que los estudiantes son capaces de emplear criterios epistemolgicos al hacerlo, y adems que este compromiso en tareas que impulsan un razonamiento epistemolgico podra ser un instrumento para mejorar la comprensin conceptual de los modelos en los estudiantes. Se discuten las implicaciones de esta propuesta en el diseo del

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plan de estudios, en las teoras de aprendizaje y en profesorado.

la formacin del

1. Introduction There is substantial evidence that children learn and use models from an early age (Clement, 1983; Gilbert & Boulter, 1997; Schauble, Klopfer, & Raghavan, 1991; Scott, Driver, Leach, & Millar, 1993). Children's learning of models in the classroom has been promoted on the grounds that models can act as "integrative schemes" (National Research Council, 1996, p. 117) bringing together students' diverse experiences in science across grades K-12. The "Unifying Concepts and Processes Standard" of The National Science Education Standards specifies that: "Models are tentative schemes or structures that correspond to real objects, events, or classes of events, and that have explanatory power. Models help scientists and engineers understand how things work. Models take many forms, including physical objects, plans, mental constructs, mathematical equations and computer simulations" (NRC, 1996, p.117). "Science as Inquiry Standards" emphasize the importance of students' understanding of how we know what we know in science. Taken together, these standards suggest it is not enough that students have an understanding of models as such. In other words, acquisition of declarative knowledge or conceptual information on models is only one aspect of learning models. Students need also to gain an appreciation of how and why models are constructed. What is implied with the latter standard is that students need to also develop an understanding of the epistemological aspects of models (Erduran, 2001). From this point of view, the teaching and learning of criteria for determining whether or not a model has explanatory power, for instance, become significant goals. Even though the significance of models and modelling in chemistry has been acknowledged (Suckling, Suckling and Suckling, 1978) and promoted in education (Gilbert & Boulter, 2000) epistemological aspects of models have been underemphasized in the chemistry curriculum. In other words, such features of models as projectability and compositionality (Woody, 1995) which can be decisive epistemological criteria in model evaluation have neither42

been promoted in the chemistry curriculum nor explored in students thinking (Erduran & Duschl, 2004). In this paper, a study is described which illustrates the design and implementation of a curriulum unit which fosters epistemological reasoning in the context of acids and bases. The results of the study suggest that middle-school students are capable of engaging in epistemological reasoning in the context of modelling acids and bases. First, the literature on models and modelling will be reviewed. Second, the curriculum unit which incorporated epistemological aspects of models in its design will be described. Some examples of student talk from the implementation context of the curriculum will illustrate students potential to engage in epistemological reasoning in acid-base chemistry. Implications for curriculum design, theory of learning and teacher education will be addressed. 2. Models and Modelling: An Overview Models and modelling are a significant area of study in cognitive sciences. For instance, philosophers of science often situate models as intermediaries between the abstractions of theory and the concrete actions of experiment (Downes, 1993; Redhead, 1980). They examine explanatory power of models (Cartwright, 1983; Woody, 1995) and the relation of models to theories (Giere, 1991). Cognitive psychologists, on the other hand, study the role of models in cognitive development (White & Frederiksen, 1986) and individuals' model-based reasoning in specific domains such as physics and mathematics (Reif, 1983; Schauble et al., 1991). In general, a model is characterized as a representation between a source and a target (Boulter & Gilbert, 1996; Duit & Glynn, 1996), the target being an unknown object or phenomenon to be explained, and the source being a familiar object or phenomenon that helps to understand the target. Woody (1995) identified four properties of models: approximate, projectability, compositionality and visual representation which are typically used as epistemological criteria in model construction, evaluation and revision in chemistry. A model's structure is approximate. In other words, the model is an approximation of a complete theoretical representation for a phenomenon. The model omits many details based on judgments and criteria driving its construction. Another characteristic of a model proposed by Woody is that a model is productive or projectable. In other words, a model does not come with well defined or fixed boundaries. While the domain of a