Nota:

En construcción permanente tronco común del bachillerato… UMSNH 2021

Educación STEM  

 


0.1 Introducción 


Antes de considerar detenidamente cómo la naturaleza del conocimiento científico (NOSK) y la investigación científica (SI) se relacionan con la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas (STEM), es fundamental "definir" o explicar qué se entiende por "ciencia". Hay muchas conceptualizaciones de la ciencia. La rotonda de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos contiene la siguiente inscripción: “A la ciencia, piloto de industria, conquistador de enfermedades, multiplicador de la cosecha, explorador del universo, revelador de las leyes de la naturaleza, guía eterna a la verdad”, por el físico ganador del Premio Nobel Richard Feynman definió la ciencia en la década de 1970 como “la creencia en la ignorancia de los expertos[1]. Más recientemente, Arthur Boucot (famoso paleobiólogo) en una conversación personal caracterizó la ciencia como "un conjunto de mentiras internamente consistentes diseñadas para explicar el universo". Estas declaraciones son bastante variadas y, por muy provocativas que sean las definiciones de Boucot y Feynman, están más cerca de cómo se caracteriza la ciencia en documentos más recientes, como los Estándares de Ciencia de Próxima Generación[2]. 


La pregunta sigue siendo, ¿qué es la ciencia? ¿Qué conceptualización sería la más apropiada para los estudiantes? Normalmente, la respuesta a esta pregunta consta de tres partes. Primero, la ciencia es un cuerpo de conocimiento. Esto se refiere a los sujetos tradicionales o al cuerpo de conceptos, leyes y teorías. Por ejemplo, biología, química, física... La segunda parte se refiere a cómo se desarrollan los conocimientos. Esa es la investigación científica. La indagación se discutirá con más detalle, pero para el estudiante generalmente se incluye la realización de la investigación (por ejemplo, hacer preguntas, desarrollar un diseño experimental, recopilar y analizar datos para sacar conclusiones). Además, la investigación como resultado también incluye el conocimiento sobre la investigación (por ejemplo, saber que todas las investigaciones comienzan con una pregunta, no existe un método científico único, las preguntas de investigación guían los procedimientos, etc.). Finalmente, por la forma en que se desarrolla el conocimiento, el conocimiento científico tiene ciertas características. Estas características del conocimiento científico a menudo se denominan naturaleza del conocimiento científico[3]. La idea de que la ciencia tiene una base empírica, involucra la creatividad humana, es inevitablemente subjetiva y está sujeta a cambios. A menudo, los individuos combinan la naturaleza del conocimiento científico (NOSK) con la investigación científica. La combinación de NOSK y la investigación científica ha plagado la investigación sobre NOSK desde el principio y, tal vez, podría haberse evitado utilizando la frase "naturaleza del conocimiento científico" en oposición a la naturaleza de la ciencia más comúnmente utilizada[4]. Utilizaremos el término "naturaleza del conocimiento científico" en lugar de "naturaleza de la ciencia", ya que representa con mayor precisión su significado pretendido[5]. Ahora bien, el punto crítico es ¿cuál es el equilibrio apropiado entre los tres componentes de la ciencia en el plan de estudios de ciencias y la instrucción de ciencias? Las reformas actuales han reconocido apropiadamente que la cantidad de énfasis tradicionalmente ha enfatizado el cuerpo de conocimiento en detrimento de cualquier énfasis en la investigación o la naturaleza del conocimiento científico. Las visiones actuales de la educación científica están volviendo al objetivo perenne de la alfabetización científica de la disertación. Pero, en general, el objetivo es ayudar a los estudiantes a utilizar su conocimiento científico para tomar decisiones informadas sobre decisiones globales, sociales o personales con base científica. El individuo alfabetizado no puede tomar tales decisiones basándose únicamente en el conocimiento científico. También deben comprender la fuente del conocimiento (es decir, la investigación científica o el término más actual prácticas científicas) y las características ontológicas del conocimiento (es decir, NOSK).


El objetivo  es explicar cómo la interacción entre la investigación científica, NOSK y STEM puede contribuir o no al logro de la alfabetización científica de una sociedad democrática. Por lo tanto, esto plantea la pregunta de ¿Qué es STEM? En aras de la brevedad, sigue una breve conceptualización. STEM se ha convertido en uno de los eslóganes más recientes en la educación de la Cuarta Transformación Industrial (4.0T[6]), y algunos críticos han notado su uso omnipresente y ambiguo[7] en la literatura sobre políticas en soberanía científica de las naciones y educación científica universitaria, respuesta a la iniquidad de la calidad de la educación[8]. Bybee acuñó la frase “alfabetización STEM” para hacer más explícito el objetivo de la educación STEM[9] en 2013, podríamos tomar este año como su lanzamiento global. Un enfoque STEM para la instrucción y el plan de estudios de ciencias incorpora situaciones problemáticas de la vida real que requieren el conocimiento de la naturaleza del conocimiento científico y la investigación científica, en parte, lo que conduce hacia el objetivo final de la competencia científica. Por lo tanto, se podría argumentar que la alfabetización científica es el objetivo final del enfoque integrado de STEM. Es importante señalar, aquí, que contrariamente a los conceptos erróneos prevalentes, STEM va mucho más allá de simplemente poner más énfasis en cada una de las disciplinas STEM. La integración de las disciplinas STEM es la intención del movimiento STEM. 


0.2 La alfabetización científica como objetivo principal de la educación científica 


¿Por qué nuestros estudiantes deberían aprender ciencias y en qué medida? ¿Estamos enseñando a nuestros estudiantes a convertirlos profesionales científicos de difetnres disciplinas? ¿Qué pasa con aquellos estudiantes que no continúan estudiando ciencias? ¿No necesitan aprender una cantidad mínima de ciencia? Estas preguntas son fundamentales para representar el objetivo de la educación científica. Los educadores científicos creen que el objetivo de la educación científica es desarrollar la alfabetización científica. Desde el primer uso de “alfabetización científica” a finales de la década de 1950, los educadores científicos y los responsables de la formulación de políticas han reconceptualizado gradualmente el término hasta tal punto que un autor comentó hace relativamente poco que la alfabetización científica es un concepto difuso y mal definido[10]. 


Los formuladores de políticas (administradores burocráticos) y los educadores a menudo se confunden entre “ciencia de la literatura y “literatura científica”. A menudo se consideran sinónimos, aunque los dos tienen significados muy diferentes. La alfabetización científica se centra en la cantidad de la ciencia que se sabe. No se trata de aplicar conocimientos y tomar decisiones. Benchmarks for Science Literacy es la declaración del Proyecto 2061 de lo que todos los estudiantes deberían saber y ser capaces de hacer en ciencias, matemáticas y tecnología al final del bachillerato[11].  Los puntos de referencia del proyecto ayudaron a los educadores a decidir qué incluir (o excluir) en un plan de estudios básico, cuándo enseñarlo y por qué. Por otro lado, la “alfabetización científica” tiene como objetivo ayudar a las personas a utilizar el conocimiento científico para tomar decisiones informadas. Este es un objetivo que los educadores científicos se han esforzado por lograr, pero desafortunadamente muchos de nosotros no nos hemos dado cuenta realmente de la importancia de la alfabetización científica o podríamos haber tergiversado el objetivo. El término "alfabetización científica" desde que se introdujo a fines de la década de 1950 ha desafiado una definición precisa. Aunque se afirma ampliamente que es un resultado deseado de la educación científica, no todo el mundo está de acuerdo con lo que significa.


El objetivo de la educación científica se formalizó en diferentes momentos de la historia. Después de la década de 1960, la comunidad de educación científica se preocupó por el papel de la ciencia en la sociedad, especialmente debido al lanzamiento del Sputnik por parte de la Unión Soviética en 1957. Este evento condujo a un aumento significativo de la financiación para la educación científica en un intento por aumentar el progreso social. Las principales fuerzas impulsoras fueron las preocupaciones por la seguridad nacional y la salud económica. En los años inmediatos 1950, se propuso que los educadores científicos trabajaran para producir ciudadanos que entendieran la ciencia y simpatizaran con el trabajo de los científicos[12]. México carecía de una fuerza laboral que pudiera vivir y trabajar en un mundo que cambiaba tan rápidamente. Los objetivos de la enseñanza de las ciencias, para fines de educación general, dentro de este nuevo entorno, se denominaron alfabetización científica. Se dijo: del mismo modo que debemos insistir en que todos los científicos tengan una educación amplia, también debemos velar por que todas las personas educadas estén alfabetizadas en ciencias… No podemos permitirnos que nuestras personas más educadas vivan aisladas intelectualmente unas de otras, sin siquiera una comprensión elemental de las preocupaciones intelectuales de los demás. La revisión nacional de la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias en Australia[13] definió los atributos de una persona científicamente alfabetizada. En particular, declaró que una persona científicamente alfabetizada está (1) interesada y comprende el mundo que la rodea, (2) puede identificar e investigar preguntas y sacar conclusiones basadas en evidencia, (3) es capaz de participar en discusiones de y sobre la ciencia que importa, (4) es escéptico y cuestiona las afirmaciones hechas por otros, y (5) puede tomar decisiones informadas sobre el medio ambiente, su propia salud y bienestar. El NGSS actual hace hincapié en las prácticas científicas, pero hay muy poco énfasis en la comprensión de las prácticas o la investigación científica y NOSK. Hacer ciencia es un medio necesario, pero no debe ser el objetivo final. El objetivo final debería ser la alfabetización científica, que lamentablemente no se menciona explícitamente en los estándares de la educación en México[14]:


“Nuestros jóvenes del Tercer Mundo ya han visto un número suficiente de fotos de galaxias y esquemas de la molécula de DNA, ya se dieron por enterados de las peripecias de Galileo, Madame Curie y Einstein, ya se sienten un tanto hartos de divulgaciones científicas basadas en chirimbolos estrambóticos y bichos estrafalarios, y ya han escuchado hasta el hartazgo la afirmación de que sus países necesitan investigadores. Ahora desean saber para qué se los quiere atraer a la profesión de científico, en qué consiste ser investigador, quién utilizaría y pagaría por sus servicios, qué inserción y papel sociales esperaría”. 


0.3 STEM como mecanismo para lograr la alfabetización científica


La educación STEM debe tener un propósito educativo que vaya más allá del eslogan “cumplir con las habilidades del siglo XXI”. En la década de 1990, la National Science Foundation (NSF) introdujo el acrónimo STEM como un enfoque educativo y curricular que enfatiza la integración de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas. Pero su uso omnipresente y ambiguo en la comunidad educativa ha creado confusión[15]. Una de las posibles razones podría ser la falta de consenso sobre el significado de STEM. Sin embargo, incluso sin una comprensión común de STEM, el desarrollo y la implementación de un plan de estudios STEM a lo largo de los años no se ha visto impedido. Se identifican cuatro componentes de la alfabetización STEM. La alfabetización STEM se refiere al:


• Conocimiento, las actitudes y las habilidades de un individuo para identificar preguntas y problemas en situaciones de la vida, explicar el mundo natural y diseñado y sacar conclusiones basadas en evidencia sobre temas relacionados con STEM. 

• Comprensión de los rasgos característicos de las disciplinas STEM como formas de conocimiento, indagación y diseño. 

• Conciencia de cómo las disciplinas STEM dan forma a nuestro entorno material, intelectual y cultural.

• Disposición para participar en asuntos relacionados con STEM y con las ideas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas como un ciudadano constructivo, preocupado y reflexivo. 


De los componentes anteriores de la alfabetización STEM, es evidente que los estudiantes necesitan tener experiencias para aplicar sus conocimientos y habilidades. Pero el debate sobre otros aspectos de la educación STEM aún no se ha resuelto. Por ejemplo, ¿STEM es una disciplina separada o simplemente un enfoque curricular integrado? La idea de considerar STEM como una disciplina separada ha sido un enigma para muchos educadores de ciencias. Las disciplinas STEM son todas formas diferentes de conocimiento y tienen diferentes convenciones para lo que constituyen datos y evidencia. STEM es un enfoque curricular integrado, pero debido a que trata con diferentes formas de conocimiento, nunca se logra una verdadera integración; solo una conexión interdisciplinaria. Las disciplinas STEM individuales se basan en diferentes valores epistemológicos y la integración de las asignaturas STEM puede restar valor a la integridad de cualquier asignatura STEM individual[16]. Si STEM se conceptualiza como un enfoque curricular, su naturaleza interdisciplinaria implica no solo la adquisición y aplicación del conocimiento científico, sino también las otras bases de conocimiento. La integración interdisciplinaria comienza con un problema del mundo real, incorpora contenido transversal con pensamiento crítico, habilidades de resolución de problemas y conocimiento matemático para llegar a una conclusión. Los estudiantes se involucran en diferentes situaciones personales y sociales relacionadas con STEM de la vida real para tomar decisiones informadas. Más específicamente, el plan de estudios STEM en las aulas y los programas puede garantizar cinco conjuntos de habilidades que incluyen adaptabilidad, comunicaciones complejas, resolución de problemas no rutinarios, autogestión y pensamiento sistémico: todo ello dentro de la escritura de disertación[17]. El Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos  elaboró ??estas cinco habilidades en su informe explorando la intersección de la educación científica y las habilidades del siglo XXI. Además, en un segundo informe, Educación para la vida y el trabajo: desarrollo de conocimientos y habilidades transferibles en el siglo XXI, se enfatizó que estas habilidades del siglo XXI son necesarias para que los estudiantes resuelvan los problemas personales y sociales. Eso es lo que significa ser un ciudadano informado. Si colocamos los componentes de la alfabetización científica junto con STEM en términos de instrucción científica, se puede argumentar que ambos se enfocan en el contexto del mundo en el que vivimos y en las decisiones que tomamos en la vida cotidiana. Esas decisiones no se basan solo en la ciencia. Diferentes perspectivas sociales, políticas y culturales son todas parte de estas decisiones. Al tomar esas decisiones, se supone que las personas deben aplicar algunas de sus otras bases de conocimiento al disertar, como el razonamiento matemático y los procesos tecnológicos y de ingeniería. Por ejemplo, si se supone que las personas deben tomar decisiones sobre si la energía eólica o solar es mejor para el medio ambiente y la economía, debe tenerse en cuenta que la solución no se basa solo en el conocimiento científico, sino también en otros conocimientos técnicos o de ingeniería, características que explican cómo funcionan realmente estos dos tipos de fuentes de energía. Además, se necesitan conocimientos matemáticos para poder calcular la eficiencia económica de las dos fuentes de energía. ¿Podemos imaginar alguna actividad que requiera este tipo de toma de decisiones como parte del enfoque curricular STEM? La respuesta es claramente sí. Por lo tanto, se puede argumentar que STEM como enfoque instructivo y curricular es consistente con la idea de alfabetización científica.


0.4 El papel de la investigación científica en la educación científica 


Como se discutió anteriormente, las definiciones poco claras y los múltiples usos de la frase “alfabetización científica” dieron lugar a mucha confusión. Sin embargo, la frase "investigación científica" es culpable de lo mismo. Lo que significa ha sido difícil de alcanzar y es al menos una de las razones por las que los Estándares de Ciencia de la Próxima Generación (NGSS) enfatizan las “prácticas científicas” en contraposición a la investigación científica[18]. La investigación científica se conceptualizó como un enfoque de enseñanza. Es decir, el profesor de ciencias involucraría a los estudiantes en situaciones (en su mayoría abiertas) en las que podrían hacer preguntas, recopilar datos y sacar conclusiones. En resumen, el propósito del enfoque de enseñanza era permitir a los estudiantes aprender materias científicas de una manera similar a cómo los científicos hacen su trabajo. Aunque está estrechamente relacionada con los procesos científicos, la investigación científica se extiende más allá del mero desarrollo de habilidades de proceso como observar, inferir, clasificar, predecir, medir, cuestionar, interpretar y analizar datos. La investigación científica incluye los procesos de la ciencia tradicional, pero también se refiere a la combinación de estos procesos con el conocimiento científico, el razonamiento científico y el pensamiento crítico para desarrollar el conocimiento científico. La investigación científica, en resumen, se refiere a los enfoques sistemáticos de lectura-escritura y cálculo utilizados por los científicos en un esfuerzo por responder a sus preguntas de interés. Los estudiantes preuniversitarios y el público en general creen en una visión distorsionada de la investigación científica que ha resultado de la educación, los medios de comunicación y el formato de la mayoría de los informes científicos. La visión distorsionada se llama EL MÉTODO CIENTÍFICO. Es decir, un conjunto fijo y una secuencia de pasos que todos los científicos siguen cuando intentan responder preguntas científicas. Una descripción más crítica caracterizaría EL MÉTODO como un algoritmo que se espera que los estudiantes memoricen, reciten y sigan como una receta para el éxito. Las visiones de la reforma STEM, así como cualquier estudio de cómo se hace la ciencia, indican rápidamente que no existe un conjunto fijo único o una secuencia de pasos que sigan todas las investigaciones científicas. 


La visión contemporánea de la investigación científica defiende que las preguntas de investigación guían el enfoque y los enfoques varían ampliamente dentro y entre disciplinas y campos científicos[19]. La percepción de que existe un único método científico se debe mucho al estado del diseño experimental clásico. Los diseños experimentales muy a menudo se ajustan a lo que se presenta como EL MÉTODO CIENTÍFICO y los ejemplos de investigaciones científicas presentados en los libros de texto de ciencias suelen ser de naturaleza experimental. El problema, por supuesto, no es que no existan investigaciones consistentes con “el método científico”. El problema es que la investigación experimental no es representativa de las investigaciones científicas en su conjunto. En consecuencia, se promueve una visión muy estrecha y distorsionada de la investigación científica en nuestro plan de estudios de ciencias en el que se deja fuera la disertación como el acto de escribir para el arte pensar. En un nivel general, la investigación científica puede tomar varias formas (es decir, disertación, correlacional y experimental causal). La investigación de disertación es la forma de investigación que suele caracterizar el inicio de una línea de investigación. Este es el tipo de investigación que deriva las variables y factores importantes para una situación particular de interés desde la literatura disponible. El que la investigación de disertación dé lugar a enfoques correlacionales depende del campo y el tema. Por ejemplo, gran parte de la investigación en anatomía y taxonomía es de naturaleza descriptiva y no avanza hacia tipos de investigación experimentales o correlacionales. El propósito de la investigación en estas áreas a menudo es simplemente describir través de argumentos. Por otro lado, existen numerosos ejemplos en la historia de la investigación anatómica que han dado lugar a más de una descripción. La investigación inicial sobre el sistema cardiovascular de William Harvey fue de naturaleza descriptiva. Sin embargo, una vez descrita la anatomía de los vasos sanguíneos, surgieron dudas sobre la circulación de la sangre a través de los vasos. Tales preguntas conducen a investigaciones que correlacionan las estructuras anatómicas con el flujo sanguíneo y experimentos basados ??en modelos del sistema cardiovascular.


Para distinguir brevemente la investigación correlacional de la experimental, la primera explica las relaciones entre las variables identificadas en la investigación descriptiva y la investigación experimental implica una intervención planificada y la manipulación de las variables estudiadas en la investigación correlacional en un intento de derivar relaciones causales. En algunos casos, se puede ver que las líneas de investigación progresan de la disertación correlacionales a experimentales, mientras que en otros casos (por ejemplo, astronomía) tal progresión no es necesariamente posible. Sin embargo, esto no sugiere que el diseño experimental sea más científico que los diseños descriptivos o correlacionales, sino más bien para aclarar que no existe un método único aplicable a todas las cuestiones científicas. 


La investigación científica siempre ha sido ambigua en su presentación dentro de las reformas de la educación científica. En particular, la disertación se percibe de tres formas diferentes. Puede verse como un conjunto de habilidades que los estudiantes deben aprender y combinar en la realización de una investigación científica. También puede verse como un resultado cognitivo que los estudiantes deben lograr al escribir manuscritos. En particular, las visiones actuales de la reforma STEM son muy claras (al menos en palabras escritas) al distinguir entre la realización de la disertación (es decir, lo que los estudiantes podrán aprende el estilo de pensar) y lo que los estudiantes saben acerca de la investigación (es decir, lo que los estudiantes aprender como actitud de metodología). Por ejemplo, una cosa es que los estudiantes establezcan un grupo de control para un experimento, mientras que otra es esperar que los estudiantes comprendan la necesidad lógica de un control dentro de un diseño experimental. Desafortunadamente, la sutil diferencia en la redacción observada en STEM (es decir, "saber" versus "hacer") a menudo es pasada por alto por todos, excepto por el lector más atento. El tercer uso de "disertación” en los manuscritos de STEM se relaciona estrictamente con la pedagogía y enturbia aún más el agua. En particular, la sabiduría actual aboga por que los estudiantes aprendan mejor las ciencias a través de un enfoque de educación de disertación orientado a la investigación. Se cree que los estudiantes aprenderán mejor los conceptos científicos escribiendo ciencia[20]. En este sentido, la “disertación científica” se ve como un enfoque de enseñanza utilizado para comunicar y crear el conocimiento científico de los estudiantes (o permitir que los estudiantes construyan su propio conocimiento) en contraposición a un resultado educativo que se espera que los estudiantes aprendan y aprendan a hacer. De hecho, es la concepción pedagógica de la disertación la que, comunica la mayoría de los profesores mediante documentos de STEM de la educación científica. Aunque los procesos que utilizan los científicos cuando hacen disertación (por ejemplo, fundamentar, explicar, demostrar, discutir, analizar, categorizar, experimentar y narrar) son fácilmente familiares para la mayoría, el conocimiento sobre la disertación como resultado de la instrucción no lo es. Esta es la perspectiva de la disertación que distingue las reformas actuales de STEM de las que han existido anteriormente, y es la perspectiva de la escritura de disertación la que normalmente no se considera en la educación universitaria subdesarrollada. 


En resumen, el conocimiento sobre la investigación incluido en los esfuerzos actuales de reforma STEM de la educación científica incluye lo siguiente: 


• Todas las investigaciones científicas comienzan con una pregunta, pero no necesariamente prueban una hipótesis. conjunto y secuencia de pasos seguidos en todas las investigaciones científicas (es decir, no existe un método científico único).

• Los procedimientos de investigación se guían por la pregunta formulada en escritura de disertación.

• Es posible que todos los científicos que realizan los mismos procedimientos no obtengan los mismos resultados.

• Los procedimientos y el diseño de investigación pueden influir en los resultados.

• Las conclusiones de la investigación deben ser coherentes con los datos recopilados. • Los datos científicos no son lo mismo que la evidencia científica.

• Las explicaciones se desarrollan a partir de una combinación de datos recopilados y lo que ya se conoce en cuerpos de disertación publicados.


0.5 La investigación científica como componente STEM


Aunque la investigación científica se ha considerado un resultado educativo importante para los estudiantes de ciencias durante más de 100 años, fue el trabajo de Showalter (1974) el que galvanizó la investigación científica[21], así como NOSK, componentes importantes dentro del marco general de la alfabetización científica. El marco de Showalter constaba de los siguientes siete componentes: 

Naturaleza de la ciencia: la persona con conocimientos científicos comprende la naturaleza del conocimiento científico. 

Conceptos de ciencia: la persona con conocimientos científicos aplica con precisión los conceptos, principios, leyes y teorías científicas apropiadas al interactuar con su universo. 

Procesos de la ciencia: la persona con conocimientos científicos utiliza los procesos de la ciencia para resolver problemas, tomar decisiones y promover su propia comprensión del universo. 

Valores: la persona con conocimientos científicos interactúa con los diversos aspectos del universo de una manera que es coherente con los valores que subyacen a la ciencia. • Ciencia-Sociedad: la persona con conocimientos científicos comprende y aprecia la empresa conjunta de la ciencia y la tecnología y las interrelaciones de éstas entre sí y con otros aspectos de la sociedad. 

Interés: la persona con conocimientos científicos ha desarrollado una visión más rica, satisfactoria y emocionante del universo como resultado de su educación científica y continúa extendiendo esta educación a lo largo de su vida. 

Habilidades: la persona con conocimientos científicos ha desarrollado numerosas habilidades de manipulación asociadas con la ciencia y la tecnología. 


Se enfatizaron claramente en los procesos científicos (ahora conocidos como disertación, prácticas científicas o NOSK). Los atributos de un individuo con conocimientos científicos fueron posteriormente reiterados por la Asociación Nacional de Maestros de Ciencias [NSTA[22]]. Las dimensiones NSTA de alfabetización científica se ampliaron un poco a las Showalter e incluyeron: 


• Utiliza conceptos científicos, habilidades de proceso y valores para tomar decisiones cotidianas de manera responsable.

• Comprende cómo la sociedad influye en la ciencia y la tecnología, así como también cómo la ciencia y la tecnología influyen en la sociedad.

• Entiende que la sociedad controla la ciencia y la tecnología mediante la asignación de recursos.

• Reconoce las limitaciones y la utilidad de la ciencia y la tecnología para promover el bienestar humano.

• Conoce los principales conceptos, hipótesis y teorías de la ciencia y es capaz de utilizarlos.

• Aprecia la ciencia y la tecnología por el estímulo intelectual que brindan.

• Entiende que la generación de conocimiento científico depende del proceso de investigación, las teorías conceptuales y la escritura de disertación.

• Distingue entre evidencia científica y opinión personal.

• Reconoce el origen de la ciencia y comprende que el conocimiento científico es provisional y está sujeto a cambios a medida que se acumulan las pruebas.

• Comprende la aplicación de la tecnología y las decisiones que conlleva el uso de la tecnología.

• Tiene suficiente conocimiento y experiencia para apreciar el valor de la investigación y los desarrollos tecnológicos.

• Tiene una visión más rica y emocionante del mundo como resultado de la educación científica.

• Conoce fuentes confiables de información científica y tecnológica y, las utiliza en el proceso de toma de decisiones. 


Debe quedar clara la importancia de la investigación científica, o de las prácticas, como se la denomina en la NGSS, como componente crítico de la alfabetización científica. STEM, en las concepciones actuales, se caracteriza como un enfoque integrado del plan de estudios que aborda las interacciones de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas para resolver problemas de una manera más auténtica que el enfoque del plan de estudios actual pasivo de transmisión de información. Es decir, el plan de estudios de ciencias típico ha separado constantemente las diversas disciplinas durante la instrucción preuniversitaria, universitaria, sin mencionar la exclusión de cualquier atención formal a la tecnología o la ingeniería[23]. Las preguntas actuales sobre el mundo natural y/o los problemas sociales o personales más comúnmente no son el ámbito de una disciplina en particular, sino que requieren la colaboración de varias personas, trabajando en equipo, con diversos antecedentes y experiencia. Esta es la naturaleza de STEM. No estamos diciendo que STEM sea una disciplina con su propia "naturaleza" como en la naturaleza de la ciencia. Simplemente estamos caracterizando STEM como un enfoque curricular de disertación, ciencias del diseño experimental y la inferencia inductiva apoyada en ciencia de datos.  


0.6 Comprensión de la naturaleza del conocimiento científico 


La relación y las diferencias entre la naturaleza del conocimiento científico (NOSK) y la naturaleza de la investigación científica (SI) a menudo se discute y confunde dentro de la literatura existente. NOSK, a diferencia de la naturaleza más popular de la ciencia (NOS[24]), se utiliza aquí para ser más coherente con el significado original del constructo.


Dada la forma en que los científicos desarrollan el conocimiento científico (es decir, SI), el conocimiento se genera con ciertas características. Estas características son las que típicamente constituyen NOS (Lederman, 2020). Como se mencionó anteriormente, existe una falta de consenso entre científicos, historiadores de la ciencia, filósofos de la ciencia y educadores científicos sobre los aspectos particulares de NOSK. Esta falta de consenso, sin embargo, no debería ser desconcertante ni sorprendente dada la naturaleza multifacética y la complejidad del esfuerzo científico. Las concepciones de NOS han cambiado a lo largo del desarrollo de la ciencia y el pensamiento sistemático sobre la ciencia y se reflejan en las formas en que las comunidades científicas y de educación científica han definido la frase “naturaleza de la ciencia” durante los últimos 100 años[25]. Sin embargo, muchos de los desacuerdos sobre la definición o el significado de NOSK  continúan existiendo entre filósofos, historiadores y educadores de ciencias son irrelevantes para la educación universitaria. La cuestión de la existencia de una realidad objetiva en comparación con las realidades fenoménicas es un buen ejemplo. Existe un nivel aceptable de generalidad con respecto a NOS que es accesible para los estudiantes y relevante para su vida diaria. Además, a este nivel universitario, existe poco desacuerdo entre filósofos, historiadores y educadores de ciencias. Entre las características de la empresa científica correspondientes a este nivel de generalidad se encuentran que el conocimiento científico es tentativo (sujeto a cambios), empíricamente basado (basado en y/o derivado de observaciones del mundo natural), subjetivo (cargado de teoría), implica necesariamente la inferencia, la imaginación y la creatividad humana de disertar (implica la invención de explicaciones), y está arraigado social y culturalmente. Dos aspectos importantes adicionales son la distinción entre observaciones e inferencias, y las funciones y relaciones entre las teorías y leyes científicas. 


Primero, los estudiantes deben ser conscientes de la distinción crucial entre observación e inferencia. Las observaciones son enunciados de disertación sobre fenómenos naturales que son "directamente" accesibles a los sentidos (o extensiones de los sentidos) y sobre los cuales varios observadores pueden llegar a un consenso con relativa facilidad. Por ejemplo, los objetos que se sueltan por encima del nivel del suelo tienden a caer y golpear el suelo. Por el contrario, las inferencias son declaraciones sobre fenómenos que no son "directamente" accesibles a los sentidos. Por ejemplo, los objetos tienden a caer al suelo debido a la "gravedad". La noción de gravedad es inferencial en el sentido de que solo se puede acceder y/o medir a través de sus manifestaciones o efectos causales. Ejemplos de tales efectos incluyen las perturbaciones en las órbitas planetarias predichas debido a las "atracciones" interplanetarias y la curvatura de la luz proveniente de las estrellas cuando sus rayos atraviesan el campo "gravitacional" del sol. 


En segundo lugar, estrechamente relacionada con la distinción entre observaciones e inferencias está la distinción entre leyes científicas y teorías. Los individuos a menudo tienen una visión jerárquica simplista de la relación entre teorías y leyes por la cual las teorías se convierten en leyes dependiendo de la disponibilidad de evidencia de apoyo. De esta noción se desprende que las leyes científicas tienen un estatus más alto que las teorías científicas. Ambas nociones, sin embargo, son inapropiadas porque, entre otras cosas, las teorías y las leyes son diferentes tipos de conocimiento y uno no puede desarrollar o ser transformado en el otro. Las leyes son declaraciones o descripciones de las relaciones entre los fenómenos observables. La ley de Boyle, que relaciona la presión de un gas con su volumen a temperatura constante, es un buen ejemplo. Las teorías, por el contrario, son explicaciones inferidas de fenómenos observables. La teoría cinética molecular, que explica la ley de Boyle, es un ejemplo. Además, las teorías son un producto de la ciencia tan legítimo como las leyes. Los científicos no suelen formular teorías con la esperanza de que algún día adquieran el estatus de "ley". Las teorías científicas, por derecho propio, cumplen funciones importantes, como guiar las investigaciones y generar nuevos problemas de investigación, además de explicar conjuntos relativamente grandes de observaciones aparentemente no relacionadas en más de un campo de investigación. Por ejemplo, la teoría cinética molecular sirve para explicar fenómenos que se relacionan con cambios en los estados físicos de la materia, otros que se relacionan con la velocidad de las reacciones químicas y otros fenómenos que se relacionan con el calor y su transferencia, por mencionar solo algunos. 


En tercer lugar, aunque el conocimiento científico se basa, al menos parcialmente, o se deriva de las observaciones del mundo natural (es decir, empírico), implica la imaginación y la creatividad humana. La ciencia, contrariamente a la creencia común, no es una actividad totalmente  racional y ordenada. La ciencia implica la invención de explicaciones (disertaciones) y esto requiere mucha creatividad escrita por parte de los científicos. El "salto" de las líneas espectrales atómicas al modelo del átomo de Bohr con sus elaboradas órbitas y niveles de energía es un buen ejemplo. Este aspecto de la ciencia, junto con su naturaleza inferencial, implica que los conceptos científicos, como átomos, agujeros negros y especies, son modelos teóricos funcionales más que copias fieles de la realidad. 


Cuarto, el conocimiento científico es subjetivo o está cargado de teoría. Los compromisos teóricos, las creencias, los conocimientos previos, la formación, las experiencias y las expectativas de los científicos influyen de hecho en su trabajo. Todos estos factores de fondo forman una mentalidad que afecta los problemas que los científicos investigan y cómo llevan a cabo sus investigaciones, lo que observan (y no observan) y cómo le dan sentido o interpretan sus observaciones. Es esta individualidad o mentalidad (a veces colectiva) la que explica el papel de la subjetividad en la producción de conocimiento científico. Es de destacar que, contrariamente a la creencia común, la ciencia nunca comienza con observaciones neutrales[26]. Las observaciones (e investigaciones) siempre están motivadas y guiadas y adquieren significado en referencia a preguntas o problemas. Estas preguntas o problemas, a su vez, se derivan dentro de ciertas perspectivas teóricas. 


En quinto lugar, la ciencia como empresa humana se practica en el contexto de una cultura más amplia y sus practicantes (científicos) son el producto de esa cultura. La ciencia, sigue, afecta y se ve afectada por los diversos elementos y esferas intelectuales de la cultura en la que está incrustada. Estos elementos incluyen, entre otros, tejido social, estructuras de poder, política, factores socioeconómicos, filosofía y religión. Un ejemplo puede ayudar a ilustrar cómo los factores sociales y culturales impactan en el conocimiento científico. Contar la historia de la evolución de los humanos (Homo sapiens) a lo largo de los últimos siete millones de años es fundamental para las ciencias biosociales. Los científicos han formulado varias historias elaboradas y diferentes sobre esta evolución.


Hasta hace poco, la historia dominante se centraba en “el hombre cazador” y su papel crucial en la evolución de los humanos a la forma que conocemos ahora[27]. Este escenario era coherente con la cultura masculina blanca que dominó los círculos científicos hasta la década de 1960 y principios de la de 1970. A medida que el movimiento feminista se fortaleció y las mujeres pudieron reclamar reconocimiento en las diversas disciplinas científicas, la historia sobre la evolución de los homínidos comenzó a cambiar. Una historia que es más consistente con un enfoque feminista se centra en “la femenina recolectora” y su papel central en la evolución de los humanos[28]. Es de destacar que ambas líneas de la historia son consistentes con la evidencia disponible. 


En sexto lugar, de las discusiones anteriores se desprende que el conocimiento científico nunca es absoluto o cierto. Este conocimiento, incluidos los "hechos", las teorías y las leyes, es provisional y está sujeto a cambios. Las afirmaciones científicas cambian a medida que la nueva evidencia, posible gracias a los avances en la teoría y la tecnología, se aplica a las teorías o leyes existentes, o cuando la evidencia antigua se reinterpreta a la luz de nuevos avances teóricos o cambios en las direcciones de los programas de investigación establecidos. Debe enfatizarse que la ciencia no solo surge del hecho de que el conocimiento científico es inferencial, creativo y social y culturalmente incrustado. También hay argumentos lógicos convincentes que dan crédito a la noción de disertar. De hecho, contrariamente a la creencia común, las hipótesis científicas, las teorías y las leyes nunca pueden ser absolutamente "probadas". Esto es válido independientemente de la cantidad de evidencia empírica reunida en apoyo de una de estas ideas o de la otra[29]. Por ejemplo, para ser "probada", una determinada ley científica debe dar cuenta de cada instancia del fenómeno que pretende describir en todo momento. Lógicamente se puede argumentar que una de esas instancias futuras, de las que no tenemos conocimiento alguno, puede comportarse de manera contraria a lo que establece la ley. Como tal, la ley nunca puede adquirir un estatus absolutamente “probado”. Esto es igualmente válido en el caso de hipótesis y teorías. Se desprende de los atributos de un individuo científicamente alfabetizado propugnados por Showalter, que NOSK se considera un componente crítico de la alfabetización científica. Si se espera que los estudiantes universitarios y de bachillerato tomen decisiones informadas sobre problemas personales y sociales con base científica, deben comprender las fuentes y los límites del conocimiento científico. Por ejemplo, es cada vez más común que el público escuche puntos de vista alternativos presentados por científicos sobre el mismo tema. ¿Son los alimentos orgánicos más saludables para comer? ¿El agua potable con un pH de aproximadamente 7.3 es más saludable que el agua potable que es más alcalina o más ácida? En Asia se cree que la ingestión de líquidos fríos ejerce presión sobre su cuerpo y debe evitarse. En consecuencia, no es raro encontrar fuentes de agua potable que proporcionen agua tibia y caliente en lugar del agua fría proporcionada por las fuentes de agua potable en la mayoría de las regiones del mundo. Puede encontrar que científicos calificados discutan ambos lados de los problemas antes mencionados. A veces, las afirmaciones se basan en la pseudociencia, como las afirmaciones actuales de que realmente no hay calentamiento global o la afirmación de que la evolución biológica nunca ocurrió. Alternativamente, estas diferencias en perspectivas y conocimientos son el resultado de la ciencia en acción. Son los resultados de la naturaleza del conocimiento científico. La ciencia la hacen los humanos y es limitado o fortalecido por las debilidades que tienen todos los humanos. El conocimiento científico es provisional o está sujeto a cambios. Nunca tenemos todos los datos y, si los tuviéramos, no los sabríamos. Si miras hacia el cielo en una noche clara, verás un objeto circular blanco. Todos estaríamos de acuerdo en que el objeto es la luna. Hace trescientos años, si miráramos el mismo objeto, lo llamaríamos planeta. Esto se debe a que la visión actual de nuestro sistema solar está guiada por la teoría heliocéntrica. Esta teoría coloca al sol en el centro del sistema solar y cualquier objeto que órbita alrededor del sol es un planeta (por ejemplo, la tierra) y cualquier objeto que órbita un planeta es una luna o satélite. Hace trescientos años, nuestro punto de vista se guiaba por la teoría geocéntrica que coloca a la tierra en el centro y cualquier cosa que órbita alrededor de la tierra se consideraba un planeta (por ejemplo, nuestra luna actual). Los objetos y las observaciones no han cambiado, pero nuestra interpretación sí debido a un cambio en las teorías que adoptamos. Se podría decir que nuestras teorías "sesgan" nuestras interpretaciones de los datos. Los científicos hacen observaciones, pero luego finalmente hacen inferencias porque todos los datos no son accesibles a través de nuestros sentidos. Ésta es la razón por la que el conocimiento científico es provisional y en parte una función de la subjetividad y la creatividad humana. Los ejemplos que ilustran las características del conocimiento científico (es decir, NOSK) son infinitos y la comprensión de estas características es fundamental a la hora de tomar decisiones sobre cuestiones de base científica.


0.7 La promesa de STEM  


Dadas las discusiones anteriores sobre la indagación, NOSK, STEM y la alfabetización científica, parece bastante lógico suponer que la revisión de nuestro enfoque curricular humanista científico para ser más consistente con STEM, mejoraría nuestra capacidad para mejorar la alfabetización científica de nuestros estudiantes universitarios y bachillerato. Después de todo, un enfoque STEM parece ser más auténtico porque no encasilla los problemas que enfrentan nuestros ciudadanos en "silos" de disciplina discreta. De hecho, ninguno de los problemas realmente importantes que nos afectan como comunidad global, sociedad, cultura o individualmente es competencia de una sola disciplina. Además, se puede argumentar que ninguno de los problemas importantes de base científica que enfrentamos se limita a los campos STEM. En resumen, STEM proporciona el conocimiento científico y técnico, mientras que la investigación científica y NOSK nos brindan conocimiento sobre cómo se desarrolla el tema (investigación) y las características inevitables (NOSK) derivadas de cómo se desarrolló el conocimiento. La lógica es una cosa, pero ¿qué sabemos y qué necesitamos saber? ¿Existe un fuerte apoyo empírico que demuestre que los estudiantes expuestos a STEM exhiben un mayor rendimiento, pensamiento crítico y capacidad para resolver problemas? Parece que el primer lugar para mirar es la investigación sobre instrucción integrada[30]. 


La idea de integración existe desde hace más de 100 años y se centró principalmente en la integración de las ciencias y las matemáticas. En la última década ha habido un aumento en la investigación empírica principalmente debido a la aparición de STEM y NGSS[31]. En general, el apoyo empírico para la instrucción integrada es, en el mejor de los casos, mixto. Es importante señalar que "integración" tiene muchos significados diferentes y que ninguna de las investigaciones se ha centrado sistemáticamente en la integración de la ciencia y la ingeniería, aunque los proyectos de ingeniería a menudo se han incluido en los cursos de ciencias tradicionales. Existen obstáculos definidos para el uso de STEM para lograr la alfabetización científica. Algunos son generales, pero otros son específicos de NOSK y la investigación científica. A nivel general está el tema de la preparación docente. El enfoque actual de la educación de los maestros es específico para la licencia disciplinaria en particular. Es decir, los profesores están preparados para convertirse en profesores de biología, matemáticas, física, química, ciencias de la tierra, entre otros. Dados los volúmenes de investigación sobre el conocimiento del contenido pedagógico y la pedagogía específica de la disciplina, no es aconsejable utilizar un "generalista". En consecuencia, será necesario cambiar los programas de licenciatura, bachillerato y posgrado, STEM tendrá que integrar el aprendizaje a través de la aprendiza en seminario o un modelo de escuela transversal de escritura creativa en disertación. 


En cualquier caso, los obstáculos son enormes. ¿Habrá un curso STEM final o se incluirá STEM en todos los cursos? Si se incluye en todos los cursos, entonces, obviamente, la disciplina (por ejemplo, química) se enfatizará sobre las otras disciplinas STEM. Ésta no es una verdadera integración. Si STEM se considera un curso culminante, el camino a seguir será más fácil, aunque la obtención de la licencia de los maestros discutida anteriormente sigue siendo un problema. Y es en esta área donde STEM es más problemático. Teóricamente, el fundamento del enfoque STEM es permitir que los estudiantes se involucren de manera más auténtica en problemas de interés del mundo real que les permitan aprender el tema de las disciplinas STEM y demostrar las habilidades de toma de decisiones evidentes en un individuo con conocimientos científicos. Este plan de estudios o enfoque de instrucción se enfoca más obviamente en la resolución de problemas, el pensamiento crítico dentro de la escritura de disertación y el diseño experimental. Siempre que se integre a disciplinas, la naturaleza de las disciplinas y cómo se desarrolla el conocimiento disciplinar serán parte. Esto nos devuelve a la investigación y a NOSK. Por ejemplo, la ciencia intenta responder preguntas sobre el mundo natural. No intenta producir resultados a priori. La ingeniería, por otro lado, intenta producir ciertos efectos. Seguramente, la ingeniería y las ciencias están estrechamente relacionadas, pero son diferentes. La ciencia nunca pretende llegar a verdades absolutas. Todo conocimiento está sujeto a cambios. Sin embargo, las matemáticas pueden llegar a pruebas absolutas en el mundo matemático que han creado. La ciencia debe poner a prueba su conocimiento contra el mundo natural, tiene una base empírica. Las matemáticas no tienen necesariamente una base empírica, tienen números imaginarios y tras formas sintéticas. Cuando se trata de conocimientos de nivel inferior, puede integrar el conocimiento en torno a temas relevantes. Sin embargo, cuando se trata de aplicaciones y decisiones de nivel superior, las convenciones de la investigación, las convenciones de lo que constituye la evidencia y el estado ontológico del conocimiento difieren. En la verdadera integración, el conocimiento disciplinario de una forma de conocer no se privilegia sobre otra. Parece que son formas diferentes de conocimiento, el obstáculo de STEM puede ser insuperable cuando se trata de cuestiones de investigación y NOSK.


0.8 Una agenda de investigación necesaria 


Está claro que sabemos sobre la promesa de mejorar la alfabetización científica en STEM empleando disertación, inferencia inductiva y diseño experimental. Hay mucha investigación por hacer con respecto a todos los aspectos de STEM. Específicamente, con respecto al NOSK y la investigación científica, es necesario investigar lo siguiente:


• ¿Se pueden desarrollar modelos efectivos de formación docente que permitan a los docentes respetar simultáneamente formas de conocimiento significativamente diferentes en un solo curso de disertación? 

• Cuando los estudiantes están diseñando una investigación, ¿cómo negocian las diferentes convenciones de recopilación e interpretación de datos en los campos STEM? 

• ¿Cómo se manejan las diferentes conclusiones para una investigación? ¿Se caracterizan por tener diferencias inevitables en la interpretación y el diseño de la investigación o se concluye que solo hay una solución? 

• Mientras los estudiantes trabajan en grupos durante una investigación o proyecto, ¿sobre qué base se toman las decisiones cuando surgen diferencias de opinión? 

• Como se espera que los estudiantes aprendan NOSK, la naturaleza de la ingeniería, la naturaleza de las matemáticas y la naturaleza de la tecnología, ¿el conocimiento de uno de estos impacta, negativa o positivamente, el conocimiento análogo en otro campo?



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Autores:

Eduardo Ochoa Hernández
Nicolás Zamudio Hernández
Lizbeth Guadalupe Villalon Magallan
Pedro Gallegos Facio
Gladys Juárez Cisneros
Gerardo Sánchez Fernández
Rogelio Ochoa Barragán
Abraham Zamudio Durán


 

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