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LAS TEORÍAS Y MODELOS EN LA EXPLICACIÓN
CIENTÍFICA: IMPLICANCIAS PARA LA ENSEÑANZA
DE LAS CIENCIAS
Sonia Beatriz Concari*
Resumen : La explicación científica ha sido considerada uno de los principales problemas a los cuales la epistemología debería responder. Explicar es justamente una de las operaciones esenciales de las que se ocupa la ciencia. En esta presentación se aborda el problema de la explicación científica, analizando dis- tintas posiciones epistemológicas con relación al problema de la explicación, al rol de las teorías y de los modelos en la explicación científica, así como sus implicancias para la enseñanza de las ciencias. Sosteniendo que la explicación y su comprensión por parte de los estudiantes pueden mejorarse a través del empleo de modelos adecuados, se propone la adopción de criterios para la selección de los modelos que se utilizan para la enseñanza.
Palabras clave : explicación cientifica; teorías y modelos conceptuales; enseñanza de las ciencia
Abstract: Scientific explanation has been considered as one of the main problems epistemology should attend. Explaning is just an essential operation science deals with. Different epistemological positions rela- ted with the problem of scientific explanation and the role of theories and models in scientific explanation are analysed. The implications for science teaching are also considered. Assuming that explanation and its comprehension by students may be improved employing appropriate models, criteria for selecting teaching models are proposed.
Keywords: scientific explanation; theories and conceptual models; science teaching
Introducción
Un aspecto fundamental en la Física y por ende en la enseñanza de la Física es la modelización, entendida como el establecimiento de relaciones semánticas entre la teoría y los fenómenos u objetos. Producto de una construcción humana, un modelo conceptual es con- cebido como una representación posible del mundo físico. En general, un modelo representa la situación real de manera incompleta, aproximada e inexacta, pero es más simple que ella. Por ejemplo, al modelizar la tierra como una partícula, o una banda de goma como un sistema elástico lineal, podemos responder a algunas preguntas relativas al movimiento de la tierra y al estiramiento de la banda respectivamente, pero no logramos resolver todos los problemas que pueden plantearse en torno de estos dos sistemas. Podemos explicar ciertos fenómenos relacionados con cada uno de estos objetos, percibidos directamente o evidenciados a través de información contenida en datos obtenidos con anterioridad. Una gran parte de la comunidad científica y educativa en ciencias acepta la idea del conocimiento concebido no como una aproximación gradual a la verdad sino como acceso al mundo, como medio para otorgarle sentido, explicándolo y considerando que una cosa y la comprensión correcta de ella son muchas veces inseparables.
* Professora Titular do Departamento de Ciências Naturais, Facultad de Humanidades y Ciencias. Professora Adjunta do Departamento de Física, Facultad de Ingeniería Química, Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe, Argentina (e-mail: [email protected]).
Ciência & Educação , v.7, n.1, p.85-94, 2001
No obstante, términos expresados en estos párrafos tales como modelo, conocimiento, explicación, representación y comprensión, no tienen cada uno un único sig- nificado universalmente consensuado. En esta presentación, se abordará el problema de la explicación científica, las formas que ésta adopta, el rol que le cabe en el proceso de construc- ción de conocimiento, su relación con las teorías y los modelos y las implicancias para la enseñanza de las ciencias naturales.
El problema de la explicación
Con relación al problema de la explicación científica, cabe preguntarnos: ¿Cómo es concebida la explicación por las distintas corrientes epistemológicas? ¿Qué respuesta ofrecen los epistemólogos al problema de la explicación científica? ¿Cuáles son sus posturas con respec- to a los modelos y teorías científicas que intentan explicar el mundo? La principal cuestión acerca de la epistemología hoy, es si se preocupa por cuestiones normativas o por cuestiones fácticas. Reconocemos que la preocupación de Popper (1976) está más relacionada con las primeras mientras que la de Kuhn (1962) atiende preferentemente a cómo él ve que los desarrollos científicos han ocurrido. Las diferentes explicaciones que los epistemólogos arrojan sobre el éxito de la ciencia se refieren, aunque de manera diferente, al poder explicativo de las teorías que la conforman, conviniendo en general acerca de que ese éxito supone su capacidad para predecir sucesos naturales y manipular objetos de la naturaleza. Este punto de vista es actualmente sólo objetado por el relativismo. 1 La polémica entre Toulmin y Nagel 2 sobre si la Filosofía de la Ciencia debiese ser un estado del proceso científico en vivo o un estudio de los problemas de explicación y confir- mación tal como fueron formulados por la lógica deductiva, también está aún presente. Sea desde lo normativo o desde lo fáctico, la explicación científica se ha considera- do uno de los principales problemas al cual la epistemología debería responder. Para abordar el problema de la explicación, la primera cuestión a la que deberíamos intentar responder es qué es lo que se entiende por explicación. Claramente la preocupación se centra en un sig- nificado del término relacionado con la ciencia, es decir como explicación científica. No se alude aquí a otros significados de explicar como dar reglas de acción (por ejemplo, explicar cómo se confecciona un informe), dar el significado de una palabra (por ejemplo, explicar que significa informar), u otros del mismo tenor. Por ejemplo, con referencia a la explicación de la experiencia de Oersted, para Kuhn la explicación substancialista (la descripción de la corriente eléctrica como constituida por un flujo de electrones puestos en movimiento por la energía de la pila) es considerada la expli- cación causal correcta: “La causa propiamente dicha reside en una substancia específica que circula realmente por el hilo, no en virtud de una ecuación matemática, como el flujo de energía que es ficticio...” Por el contrario, Halbawchs dice que el poder explicativo del ener- getismo^3 es incompleto pues “permite decir cómo, en qué cantidad, según qué ley precisa tal forma de energía se transforma en tal otra, pero no puede explicarnos porqué precisamente esta forma y no otra es la que aparece en tales circunstancias”.
(^1) Aún Feyerabend en sus primeras críticas acepta que el desarrollo científico está ligado a la noción de teoría y a la sucesión de ellas en la historia de la ciencia, por las más adecuadas. (^2) Citado por Losse (1979), p.14. (^3) Halbawchs se refiere a la explicación que asigna la causa de la corriente eléctrica a la pila porque es la que pro- porciona la energía sin la cual no se produce corriente.
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Según Bunge (1988), “los científicos no se conforman con descripciones detalladas: además de inquirir cómo son las cosas, procuran responder a por qué: porqué ocurren los hechos como ocurren y no de otra manera” (p.30). La explicación científica a la que alude Bunge no debe ser vista como la explicación causal, pues como él mismo aclara, ésta no es sino un tipo de explicación científica, pues la explicación se efectúa siempre en términos de leyes científicas y esas leyes no son siempre causales. Otro tipo de explicaciones científicas lo constituyen las explicaciones funcionales, importantes tanto para la sociología como para la biología. No ahondaremos aquí sobre las explicaciones funcionales, aunque mencionaremos brevemente una posición epistemológica próxima a la de Piaget, que sostiene otro biólogo. Para Humberto Maturana (1995) las expli- caciones son proposiciones presentadas como reformulaciones de experiencias que son acep- tadas como tales por un oyente con respecto a una pregunta que exige una explicación. A esta definición de explicación, agrega que el uso de las explicaciones científicas para dar validez a una afirmación, es lo que hace que esa afirmación sea una afirmación científica. Compartiendo la postura en la que los supuestos o condiciones antecedentes son menos relevantes, Rolando García (1979) establece que una explicación física consiste sim- plemente en demostrar que un fenómeno dado es una consecuencia de leyes ya aceptadas. Larry Laudan (1993), en su libro La ciencia y el relativismo , le asigna las siguientes posturas a supuestos epistemólogos. Según él, para un realista, entre los fines de la ciencia estaría “la explicación y predicción de todo lo que ocurra en el mundo natural”. Para un pragmatista, sería “producir teorías que sean cada vez más fiables^7 ” (p.36). Para él, los científicos quieren teorías que expliquen y que hagan predicciones sobre el mundo que les permitan manipular el mundo en toda su diversidad de maneras. Un epistemólogo positivista reconocería que el fin de la ciencia es desarrollar teorías y leyes para correlacionar, explicar y predecir los datos observacionales. Para el propio Laudan (1986), “el objetivo de la ciencia consiste en obtener teorías con una elevada efectividad en la resolución de problemas” (p.11). Esta concepción pragmática de la ciencia, establece el poder explicativo de una teoría como su capacidad para resolver problemas, tanto empíricos como conceptuales, de modo que se constituye en una visión de ciencia más general. Veamos con un ejemplo, cuál es la idea de explicación de las dos grandes posturas antes expuestas: descriptiva o explicativa. El espectro de emisión del átomo de hidrógeno pre- senta una serie de líneas; este es un hecho. La explicación del mismo de acuerdo con la posi- ción más radical, se haría utilizando leyes y datos en el marco de modelos y teorías: el número de onda correspondiente a las líneas detectadas y la expresión de la energía correspondiente a los niveles del modelo del átomo de Bohr, a los autovalores del Hamiltoniano obtenidos por la formulación de Scrödinger, o la teoría de Dirac. Para dar una explicación, debería además justificarse la vinculación entre los datos y el suceso a explicar; en el ejemplo, esta justificación está dada por el postulado de Einstein. Desde una postura más descriptiva, podrían tal vez considerarse también explicaciones del fenómeno, a las dadas por Balmer, Paschen, Bracket y Pfund, a cada región del espectro de líneas, respectivamente. Podemos concluir que aceptamos el punto de vista que describir si bien implica una comprensión de alguna(s) teoría(s), las teorías científicas no son descriptivas sino explicativas. Describir implica varias cuestiones: definir el fenómeno, sus características y componentes, así como definir las condiciones en que se presenta y las distintas maneras en
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(^7) Fiabilidad entendida como la capacidad para afrontar contrastes empíricos cada vez más exigentes.
que puede manifestarse. Explicar significa incrementar el entendimiento de las causas del fenómeno, y además, refiere a la prueba empírica de las proposiciones de la teoría, a las que les da apoyo. La capacidad de predicción está asociada a la posibilidad de pronosticar eventos que aún no ocurren y que pueden ser explicados antes de que sucedan. Esta capacidad múlti- ple de descripción, explicación y predicción, es lo que constituye el “poder explicativo” de una teoría, o siguiendo la postura de Laudan, su capacidad para resolver problemas.
Las teorías explicativas y los modelos representacionales
Aunque según su etimología la palabra “ciencia” significa lo mismo que la palabra “conocimiento”, actualmente se utiliza la palabra ciencia para referirse sólo al conocimiento sistematizado, validado y aceptado^8 por la comunidad científica. El conocimiento científico es una construcción humana que tiene por objetivo comprender, explicar y también actuar sobre la realidad. No puede ser dado como absoluto y está sujeto a re-construcciones. El conocimiento científico está constituido por conceptos, juicios y raciocinios, en el que las ideas son punto de partida y punto final del trabajo científico, aunque la percepción y la repre- sentación mental forman parte de las operaciones que el científico realiza para construir esas ideas. Se exige además, que esas ideas puedan combinarse de manera lógica y se estructuren en conjuntos ordenados de proposiciones, las teorías (Bunge, 1988). La coexistencia de teorías rivales es la regla en el desarrollo de la ciencia, de modo que adoptando la posición de Laudan, la adopción de teorías, y por extensión de modelos, es primordialmente una actividad comparativa. Desde esta perspectiva, deben establecerse crite- rios de comparación y selección.
La preocupación central debería ser distinguir las teorías con un alcance amplio y demostrable en la resolución de problemas, de las teorías que no tienen esa propiedad sin considerar si las teorías en cuestión caen dentro del ámbito de la físi- ca, la teoría literaria, la filosofía o el sentido común. (Laudan, 1986, p.22)
Aún cuando Laudan destaca que el tema es complejo, y que cuestiones como qué hace que un problema sea más importante que otro, o los criterios para considerar algo como una solución adecuada, y la relación entre los problemas no científicos y los científicos no han sido afrontadas con el detalle que requieren, asumiendo una posición aún más pragmática, decimos que la importancia al problema la otorga quien debe resolverlo y que la mayor o menor adecuación de la solución depende de sus necesidades. Este razonamiento no está limi- tado al ámbito científico; en el aula de ciencias y en la actividad profesional, el estudiante y el ingeniero deben resolver problemas – de lápiz y papel, experimentales, prácticos y concep- tuales – con las teorías y modelos más adecuados a cada uno de esos contextos.
El trabajo científico comienza confrontando la experiencia espontánea con ciertas otras realidades, cuya relación de analogía hace posible obtener una primera visualización de la estructura posible, la cual hubiera sido, de no mediar ese mode- lo, invisible. El proceso de descripción científica constituye, entonces, una primera reelaboración de la experiencia espontánea, en la medida en que traduce los hechos a “hechos” que se recortan a la luz de estos modelos.
(^8) Cualesquiera sean los criterios de validación y aceptabilidad del conocimiento científico.
LAS TEORÍAS Y MODELOS EN LA EXPLICACIÓN CIENTÍFICA
órbita planetaria - órbita electrónica). No obstante, “debe verse siempre un modelo [físico] críticamente y recordar que una analogía significa no más que: bajo ciertas condiciones espe- ciales, el sistema físico estudiado se comporta como si” (Miller et al. , 1980, p.253). Podemos entonces sintetizar que el trabajo científico consiste en gran parte, en cons- truir modelos que sirvan de representación de los fenómenos estudiados, integrados en teorías con capacidad para resolver problemas.
Implicancias para la enseñanza de las ciencias
Cómo son concebidas las explicaciones, las teorías y los modelos por parte de los do- centes, tiene consecuencias directas para la enseñanza de las ciencias. En un trabajo reciente de Raúl Zamorano (1999) se presenta una interesante reseña sobre los conflictos epistemo- lógicos suscitados en los últimos años para establecer una enseñanza constructivista. Zamo- rano analiza las implicaciones que tiene el forzar marcos epistemológicos que convaliden prác- ticas de enseñanza. Lo que aquí proponemos es que esa práctica sea coherente con la concep- ción de explicación, teorías y modelos que presentamos. Por otra parte, la cuestión de cómo los estudiantes comprenden las explicaciones que se les proporcionan en términos de sus pro- pios conocimientos previos y necesidades aún no está muy evidenciada (Gilbert et al. , 1998). Gilbert clasifica el tipo de explicaciones según las siguientes categorías: 1) Por qué se solicita la explicación, es decir, cuál es el problema al que se responde (explicación inten- cional); 2) Cómo se comporta el fenómeno explicado (explicación descriptiva); 3) De qué se compone el fenómeno (explicación interpretativa); 4) Por qué el fenómeno se comporta como lo hace (explicación causal); y 5) Cómo debería comportarse en otras circunstancias (expli- cación predictiva). Más que considerar si las explicaciones que se dan en la clase de ciencias son o no científicas, corresponde considerar si son o no adecuadas, o mejor aún, si son más o menos adecuadas que otras. Dos tipos de explicaciones son principalmente propensos a ser descuidados en la clase de ciencias: las explicaciones intencionales y las predictivas. Mientras las explicaciones descriptivas (lo que hemos antes definido como descripción) son las más frecuentes, mientras las explicaciones predictivas (predicción) prácticamente no son requeridas al alumno (Gilbert, 1998). Por otra parte, las “sintaxis causales” empleadas por los estudiantes evidencian el carác- ter causal de sus explicaciones (Di Sessa, 1993). En las clases de ciencia los estudiantes de- berían tener oportunidades de desarrollar las habilidades para proporcionar más explicaciones. Las teorías que se enseñan son las que prescribe el currículum, y aunque éste no es permanente, no es punto de discusión de esta presentación. No ocurre así con los modelos que pueden emplearse para la enseñanza de esas teorías. Los criterios propuestos por Pozo y Gómez (1998) para seleccionar los modelos que se utilizan en el aula de ciencias son los de optar por aquellos que tengan mayor capacidad de generalización, mayor poder argumentati- vo o explicativo y estructuras conceptuales más complejas e integradas. Acordamos con las dos primeras, pero la mayor complejidad estructural de un modelo en general está relacionado con la menor facilidad para su empleo. La sencillez y simpleza representan una cualidad deseable en un modelo, tanto como en una teoría. Creemos que, como fue expuesto antes, el modelo debe ser adecuado tanto para el problema al que se aplica como para quien resuelve el proble- ma. Por lo tanto, como criterios adicionales, proponemos seleccionar aquellos modelos que presenten mayor parsimonia y mayor significatividad potencial para el estudiante (Concari y Giorgi, 2000).
LAS TEORÍAS Y MODELOS EN LA EXPLICACIÓN CIENTÍFICA
Esta postura de la adecuación de los modelos y explicaciones al contexto de apli- cación es también asumida por Gilbert. Él sostiene en la primera parte de su trabajo “Models in explanations” que ninguna explicación es adecuada en todas circunstancias y para todos a quienes está dirigida. En este punto es importante destacar que la enseñanza de las ciencias en general pero particularmente en la universidad persigue entre otros fines, promover la com- prensión de los modelos conceptuales científicos, su aprendizaje y su aplicación para resolver problemas nuevos. Pero ese aprendizaje está fuertemente influenciado por las ideas intuitivas y representaciones mentales que los estudiantes poseen. Esas representaciones internas confor- man otro tipo de modelo, los modelos mentales (Gentner y Stevens, 1983; Runelhart y Nor- man, 1990; Gillet, 1992; Miller, 1996). Su función es la de permitir a su constructor explicar y hacer previsiones respecto al sistema representado, al fenómeno o problema al que se enfrenta. Los estudiantes tienen dificultad en usar diferentes modelos para distintos propósi- tos y en desechar viejos modelos. Pozo y Gómez (1998) reconocen que el núcleo conceptual que más dificultades entraña para su aprendizaje en la química es la comprensión de los mode- los corpusculares de la materia, e identifican como uno de los problemas al enseñar este tema, que “los sistemas proposicionales que se les proporcionan [a los alumnos] – matemáticos, al- gebraicos o mediante símbolos químicos y, sólo en algunos casos, analógicos – no resultan su- ficientes” (p.157). La visión que los estudiantes tienen de los modelos afectará fuertemente las apre- ciaciones de las explicaciones que el docente (o texto) proporcionan. El problema de la elec- ción de modelos, como lo plantean Gilbert et al. (1998) requiere un conocimiento de los alcances y limitaciones de los distintos modelos en un campo de investigación, para hacer posible la elección de uno de ellos para propósitos de enseñanza particulares. Por ejemplo, Fuchs (1999) utiliza un modelo en la enseñanza de la termodinámica que, aunque simple en su estructura, es empleado en nuestro medio sólo en cursos de posgrado. Resumidamente, el sistema físico es modelado como un volumen de control que contiene magnitudes tipo cuasi- sustancia, tales como la masa, la cantidad de movimiento, la entropía, y la energía, cuyos valo- res se modifican de acuerdo con las corrientes de dichas magnitudes que ingresan o salen del mismo, de acuerdo con una ecuación de balance. 9 Herrmann (1998) utiliza también el mode- lo de cuasi-sustancia como modelo de campos y de partículas elementales para enseñar física a estudiantes de la escuela media y de la universidad. Duit (1991) destaca entre otras, la ventaja del empleo de analogías para facilitar la comprensión de “abstractos”, así como para provocar una visualización de ellos, Herrmann y Bruno Schmid (1986), acentúan la potencialidad de su aplicación en contextos y temas diferen- tes pero estructuralmente análogos, mientras otros estudios muestran una utilización espontánea de analogías en las clases, en los libros de texto y en artículos de divulgación científica, pre- dominantemente como elemento de énfasis del relato y/o como medio para explicar relaciones entre conceptos físicos a través del lenguaje común (Aragón et al. , 1997; Brito y Mechetti, 1998). El aprendizaje significativo es un complejo proceso que, como lo presentan Glynn et al. (1995), es el resultado de la interacción de procesos claves, tales como formación de imágenes, y la orga- nización y construcción de analogías que conducen a la construcción de relaciones conceptuales. ¿Cómo se relacionan los modelos conceptuales, los modelos que utilizamos para enseñar y los modelos mentales de los estudiantes? Nuestra hipótesis es que hay distintos grados
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(^9) Básicamente, se trata del modelo del contínuo que se utiliza en el estudio de los denominados fenómenos de trans- porte (de cantidad de movimiento, calor – por entropía – y energía) en cursos avanzados de física para ingeniería.
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