Diversas investigaciones e informes europeos indican que el alumnado de educación secundaria suele presentar actitudes y emociones negativas hacia el aprendizaje de materias científicas, tecnológicas y matemáticas, así como un bajo nivel cognitivo y competencial en dichas materias. El objetivo general de esta investigación ha sido comparar la influencia en variables cognitivas y afectivas de una práctica STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) frente a una metodología académico-expositiva para el aprendizaje de conceptos de Óptica en educación secundaria. El diseño de la investigación ha sido de tipo cuasiexperimental con pre-test y post-test. En base a investigaciones previas, se diseñaron dos instrumentos de medida para analizar variables cognitivas, afectivas y actitudinales antes y después de las intervenciones didácticas. Mediante muestreo no probabilístico, se ha contado con la participación de 55 alumnos, divididos en grupo de control y grupo experimental. Con el grupo de control se utilizó una metodología académico-expositiva y con el grupo experimental una metodología basada en la implementación de una práctica STEM para el aprendizaje de los contenidos seleccionados. El análisis inferencial realizado revela diferencias estadísticamente significativas a favor del grupo experimental tanto en variables referidas al dominio cognitivo como al afectivo. Se concluye que es imprescindible seleccionar metodologías activas en la labor docente ya que el nivel de enriquecimiento cognitivo y emocional es mayor.

Implicaciones cognitivas y afectivas de una práctica STEM sobre óptica en secundaria

Guadalupe Martínez Borreguero, Francisco Javier Cámara Acedo, Milagros Mateos Núñez, Francisco Luis Naranjo Correa

 Introducción

Las instituciones educativas tienen el desafío de potenciar las competencias STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) en el alumnado de los diferentes niveles educativos, comenzando por las primeras etapas escolares (Couso, et al., 2011). Diversos estudios indican que promover la alfabetización científico-tecnológica y matemática entre la población daría lugar a que los ciudadanos se sintieran más seguros y competentes para abordar las cuestiones relacionadas con la ciencia y la tecnología en la vida cotidiana (Laugksch, 2000). En este sentido, los informes PISA (OECD, 2019) que estudian las competencias del alumnado relacionadas con todas las disciplinas académicas, han puesto de manifiesto resultados negativos en los últimos años en ciencias y matemáticas. En base a ello, se hace necesario replantearse las estrategias didácticas que se están implementando en los centros escolares en las asignaturas integradas en las áreas STEM, ya que pueden ser una causa de los bajos niveles competenciales del alumnado. Asimismo, en los últimos años se ha comenzado a tomar conciencia de la importancia que tienen las emociones en el proceso de enseñanza y aprendizaje de los diferentes niveles educativos (Borrachero, Dávila, Costillo y Bermejo, 2016). Algunas investigaciones resaltan que el dominio afectivo influye en el cognitivo y viceversa (Mellado, et al., 2014). Concretamente los estados emocionales positivos favorecen el aprendizaje de las ciencias y el compromiso de los estudiantes como aprendices activos, mientras que los negativos limitan la capacidad de aprender (Mellado et al., 2014). En esta línea, son numerosas las investigaciones que señalan que existe un declive emocional a lo largo de la escolarización (Murphy, y Beggs, 2003; Mateos-Núñez, Martínez-Borreguero, y Naranjo-Correa, 2019a).

Por otro lado, el rendimiento académico de los alumnos puede estar condicionado por la existencia de preconcepciones e ideas alternativas (Tünnermann Bernheim, 2011). Para el caso específico de la enseñanza de la óptica en el nivel medio, el proceso comienza con las nociones básicas sobre la luz y el proceso de la visión, proponiendo actividades orientadas al aprendizaje de figuras que muestran un rayo de luz en varias situaciones típicas que corresponden a los fenómenos estudiados (Iparraguirre,2007). Generalmente, las experiencias educativas propuestas para enseñar estos contenidos suelen ser adecuadas y se pueden realizar con materiales sencillos, pero la realidad es que los resultados de diversas investigaciones determinan que el aprendizaje de estos conceptos es muy pobre (Iparraguirre, 2007). Así, por ejemplo, algunas investigaciones comparan los escasos conocimientos sobre los conceptos de óptica del alumnado de diferentes niveles educativos (Martínez-Borreguero, Naranjo-Correa y Mateos-Núñez, 2019). Por otro lado, la influencia de las metodologías activas en el aprendizaje es tal que, introduciendo cambios en la forma de enseñanza de alumnado se observan actitudes más positivas hacia la ciencia (Martínez-Borreguero et al., 2019b). Asimismo, la relación de la ciencia con la vida cotidiana es un factor que influye directamente en la actitud que el alumnado tiene hacia estas materias (Jenkins, 2006). Teniendo en cuenta los antecedentes mencionados, por un lado, el creciente declive emocional hacia las materias científico-tecnológicas y por otro la necesidad de combatir las numerosas ideas alternativas en óptica, en esta investigación se ha realizado una intervención didáctica basada en el desarrollo de una práctica STEM con el propósito de analizar su influencia en variables cognitivas y afectivas.

 

Metodología

La investigación desarrollada ha seguido un diseño cuasiexperimental con pre-test y post-test, grupo experimental y grupo de control, utilizando una muestra de 3º de ESO. Con el grupo de control se utilizó una metodología didáctica basado en un modelo académico-expositivo. Sin embargo, con el alumnado del grupo experimental se utilizó una metodología didáctica basada en la implementación de una práctica STEM, con el propósito de comparar ambos grupos y analizar la utilidad didáctica de ambas metodologías, tanto para el aprendizaje de conceptos científico-tecnológicos, como para la mejora de la intensidad de las emociones positivas hacia el aprendizaje de estas materias. Para recabar la información sobre las variables emocionales, actitudinales y el nivel de conocimiento, antes y después de las intervenciones, se diseñaron dos instrumentos de medida compuestos por varios apartados, uno a modo de pre-test y otro a modo de pos-test, que fueron validados en base a diferentes parámetros psicométricos.

Resultados y conclusiones

El análisis estadístico de los datos obtenidos en el pre-test muestra que, tanto el grupo de control como el experimental, presentaban inicialmente un bajo nivel de conocimientos. El análisis inferencial determinó que no hay diferencias estadísticamente significativas (Sig.=0,659) entre las calificaciones iniciales de ambos grupos, por lo que podemos afirmar que la muestra era indistinguible. La media obtenida en ambos casos se encuentra por debajo de 5. El análisis por preguntas realizado indica una clara falta de conocimientos básicos como son la formación de colores mediante la mezcla aditiva y también sobre la mezcla sustractiva de colores, concordando estos resultados con los obtenidos por en otros estudios (Naranjo-Correa et al., 2016;). Asimismo, también se observan errores conceptuales sobre la refracción de la luz y sobre conceptos relacionados con la electricidad.

Los resultados del post-test sugieren que ambas metodologías, tradicional y experimental, han mejorado el rendimiento del alumnado. Sin embargo, la nota media del GE es superior a la del GC, encontrándose incluso diferencias estadísticamente significativas (Sig.=0,019) entre ambas. Con estos resultados se podría validar la efectividad que ha tenido la utilización de una práctica STEM en el aprendizaje de los estudiantes participantes en el estudio, ya que, aunque las dos metodologías utilizadas mejoran el rendimiento, la práctica STEM llevada a cabo con el grupo experimental conlleva que estos alumnos alcancen mejores calificaciones. Estos resultados van en la línea con otros estudios (Mateos-Núñez, Martínez-Borreguero y Naranjo-Correa, 2020) que indican que los programas de educación STEM permiten hacer nuevas conexiones cognitivas a través de dos o más disciplinas, lo cual puede ser evidenciado en un mejor aprendizaje de los contenidos. Por otro lado, respecto al dominio afectivo, se encontraron diferencias estadísticamente significativas (Sig. < 0,05) entre las emociones manifestadas por el GE frente el GC. En concreto, los alumnos que trabajaron con las prácticas STEM mostraron mayores emociones positivas que los del grupo de control. Tal y como señalan estudios previos, si a las experiencias prácticas de le da un carácter más lúdico, se consiguen también modificar las variables relacionadas con el dominio afectivo, no solo con el cognitivo (Martínez- Borreguero, Mateos-Núñez y Naranjo-Correa, 2019b).

Agradecimientos

Esta publicación es parte del proyecto GR21047, financiado por la Junta de Extremadura y el “FEDER Una manera de hacer Europa”, así como del proyecto PID2020-115214RB-I00, financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033.

 Referencias

Borrachero, A.B., Dávila, M.A., Costillo, E., Bermejo, M.L. (2016). Relación entre recuerdo y vaticinio de emociones hacia las ciencias en profesores en formación inicial. Rev. Estud. Inv. Psico. Educ., 3, 1–8.

Couso, D., Jiménez, M. P., López-Ruiz, J., Mans, C., Rodríguez, C., Rodríguez, J. M., Sanmartí, N. (2011). Informe ENCIENDE: Enseñanza de las Ciencias en la Didáctica escolar para edades tempranas en España. Madrid: COSCE.

Iparraguirre, L. M. (2007). Una propuesta de utilización de la historia de la ciencia en la enseñanza de un tema de física. Enseñanza de las ciencias: revista de investigación y experiencias didácticas, 25(3), 423-434.

Jenkins, E. W. (2006). The student voice and school science education. Studies in science education, 42, 49-88.

Laugksch, R. C. (2000). Scientific literacy: A conceptual overview. Science education, 84(1), 71-94.

Martínez-Borreguero, G., Mateos-Núñez, M., Naranjo-Correa, F.L. (2019a). Emotions of elementary school students: comparative analysis between different school subjects. En E. J. Byker y A. Horton (Eds.), Elementary Education. Global Perspectives Challenges and Issues Of The 21st Century (pp. 69-98). New York: Nova Science Publishers, Inc.

Martínez-Borreguero, G., Mateos-Núñez, M., Naranjo-Correa, F.L. (2019b). Implementation and Didactic Validation of STEM Experiences in Primary Education: Analysis of the Cognitive and Affective Dimension. En IntechOpen (Eds.) Theorizing STEM Education in the 21st Century. Londres: IntechOpen.

Mateos-Núñez, M., Martínez-Borreguero, G., Naranjo-Correa, F. L. (2020). Learning Science in Primary Education with STEM Workshops: Analysis of Teaching Effectiveness from a Cognitive and Emotional Perspective. Sustainability, 12(8), 3095.

Mellado, V., Borrachero, A. B., Brígido, M., Melo, L.V., Dávila, M.A., Cañada, F., Conde, M.C., Costillo, E., Cubero, J., Esteban, R., Martínez, G., Ruiz, C., Sánchez, J., Garritz, A., Mellado, L., Vázquez, B., Jiménez, R., Bermejo, M. L. (2014). Las Emociones en la Enseñanza de las Ciencias. Enseñanza de las Ciencias, 32(3), 11-36.

Murphy, C., Beggs, J. (2003). Children perceptions of school science. School Science Review, 84(308), 109-116.

Naranjo-Correa, F. L., Martínez-Borreguero, G., Pérez-Rodriguez, A. L., Suero-Lopez, M. I., Pardo-Fernández, P. J. (2016). A new online tool to detect color misconceptions. Color Research & Application, 41(3), 325-329.

OECD. (2019). PISA 2018: Insights and Interpretations. Paris: OECD Publishing.

Tünnermann Bernheim, C. (2011). El constructivismo y el aprendizaje de los estudiantes. Universidades, 61(48).