En el ámbito de la educación secundaria, especialmente dentro de los cursos de química avanzada en los Estados Unidos, los educadores se enfrentan de manera persistente a la rigidez y densidad de los programas estandarizados orientados exclusivamente a la aprobación de exámenes avanzados nacionales al finalizar el semestre.[1-3] Esta estructura tradicional suele limitar las oportunidades de los discentes para involucrarse en prácticas científicas auténticas y contextualizadas una vez terminado la administración de los exámenes en el último mes académico. [2,4] Con el propósito de mitigar esta brecha, el Aprendizaje Basado en Problemas (ABP), metodología nacida originalmente en las facultades de medicina y luego adaptada a escuelas primarias y secundarias, se presenta como una alternativa instruccional idónea.[5-7]
El ABP altera la dinámica convencional: la adquisición de conceptos no precede a la práctica, sino que el aprendizaje se activa a partir de un problema complejo y abierto del mundo real que los alumnos deben resolver.[8-13] A través de este enfoque, el estudiante transita de ser un receptor pasivo para convertirse en el protagonista y diseñador de su propia ruta de indagación, mientras que el docente abandona la instrucción directa para transformarse en un facilitador metacognitivo.[14,15]
La investigación auténtica es fundamental para lograr un aprendizaje significativo y el ABP puede utilizarse con el fin de que los estudiantes diseñen sus propios problemas realistas y poco estructurados (ill-structured).[14-19] Ofrecer a los alumnos entornos de aprendizaje auténticos que supongan un desafío cognitivo — y donde puedan aplicar la indagación, pensar de forma crítica y resolver problemas— resulta crucial para permitirles explorar sus propios intereses y despertar su curiosidad por resolver un problema. Como modelo de instrucción, el ABP es plenamente coherente con los principios del constructivismo en la educación científica.[19,20]
Este estudio se fundamenta epistemológicamente en los principios del constructivismo, el cual postula que el conocimiento no es un ente absoluto transferido por el educador, sino una construcción interna mediada por las experiencias del sujeto y sus interacciones socioculturales.[19-23] Bajo el lente constructivista, el ABP ofrece un entorno de aprendizaje auténtico donde la resolución de problemas de laboratorio no estandarizados promueve la disonancia cognitiva y la subsecuente acomodación conceptual, dotando de un significado real a las leyes e interacciones de la química. [19,23]
La presente investigación tuvo como propósito implementar y evaluar problemas de ABP de seis semanas de duración, ubicado estratégicamente en el último trimestre escolar. El ABP fue posterior a la administración del examen avanzado nacional e integrado en el currículo de química avanzada de una escuela secundaria en la región oeste de Nueva York, EE.UU. Las preguntas de investigación que guiaron de forma transversal el estudio fueron:
Se adoptó un diseño de métodos mixtos concurrentes.[24-26] Aunque teóricamente ambos enfoques coexisten, la naturaleza exploratoria de las percepciones humanas otorgó un peso dominante al componente cualitativo, el cual fue validado empíricamente mediante la triangulación de datos estadísticos descriptivos cuantitativos.[24,25] Los datos cualitativos se recopilaron tanto durante el proceso de implementación como al cierre del proyecto, proporcionando una comprensión más profunda de las percepciones estudiantiles sobre la experiencia de ABP. Finalmente, se seleccionó una muestra de conveniencia debido a que los estudiantes se encontraban inscritos en el mismo curso y compartían el mismo plan de estudios.
El estudio se implementó en una escuela secundaria de manera ininterrumpida durante seis años. En la investigación participaron un total de 296 estudiantes inscritos en dos secciones del curso de química avanzada enseñado por dos maestras. Los estudiantes decidieron entre ellos los integrantes del grupo a un máximo de 4-6 estudiantes de acuerdo con el tema de interés para un total de 11-16 proyectos ABP independientes por año (para un total de 78 proyectos ABP durante los 6 años). La distribución de la muestra según el curso académico fue: segundo año (12.0%), tercer año (77.3%) y cuarto año (10.8 %). Había 150 estudiantes masculinos y 146 femeninos.
El rol del estudiante en el proceso de ABP comienza con la identificación de un problema no estructurado y el establecimiento de una pregunta de investigación. Este proceso incluye los siguientes pasos: (a) investigar un tema de interés, (b) definir un problema, (c) diseñar una serie de experimentos, (d) analizar datos, (e) sacar conclusiones, (f) crear un póster y presentarlo, (g) realizar una presentación oral (si le corresponde), (h) completar un diario de reflexión semanal y (i) escribir un informe final sobre su proyecto. En la Figura 1 se presenta un cronograma completo del rol del estudiante durante las seis semanas de ABP. Los Anexos 1, 2, 3 y 4 proveen detalles en donde se proporcionaron plazos específicos y pautas a los estudiantes semanalmente a lo largo del proceso para evitar que se sintieran abrumados. Los estudiantes revisaron todo el proceso del método científico para resolver su problema realista y poco estructurado. Los profesores y el personal docente universitario brindaron retroalimentación a los estudiantes diariamente durante todo el proceso.
Los profesores universitarios también desempeñaron un papel de facilitadores y asesores, pero, fundamentalmente, sirvieron como un pilar de soporte para la totalidad de la experiencia de ABP. Este equipo coadyuvó detrás de escena mediante la gestión de las plataformas virtuales, el aprovisionamiento de recursos económicos, la adquisición de suministros y reactivos especializados solicitados por los alumnos, y la asistencia técnica diaria vía correo electrónico a estudiantes y maestras. Asimismo, colaboraron activamente en la gestión de los problemas de investigación, tanto de forma presencial en el aula como vía correo electrónico, respondiendo diariamente a las dudas de los alumnos y maestras brindándoles orientación y apoyo constante.
Se recopilaron tres fuentes esenciales de información: diarios de reflexión semanal de los estudiantes, diarios de seguimiento de los docentes y dos encuestas finales de diseño mixto (escala Likert y reactivos abiertos) administradas al culminar el proyecto y tras la realización del simposio público. El estudio se rigió estrictamente bajo el protocolo aprobado por el Comité de Revisión Institucional (IRB, Archivo No: 3447-052115-02) de la Universidad St. John Fisher, obteniendo los consentimientos informados correspondientes antes del inicio de la recolección.
La selección de temas en las áreas de la química en los proyectos de ABP fue decidida por los intereses de los grupos de estudiantes. Durante los 6 años de implementación, los 78 proyectos de investigación química analizados se concentraron principalmente en Química Alimentaria y Agrícola y Química Ambiental y Sostenibilidad (ambos 21.8%), seguidos por Química del Consumidor y Cuidado Personal (19.2%). En conjunto, estas tres áreas abarcan más del 62% del total de proyectos, destacando un fuerte enfoque práctico hacia productos cotidianos, el cuidado del medio ambiente y la nutrición. Las disciplinas restantes, como la física-química/energía, la ciencia de materiales y la bioquímica, representan el 38% restante con una distribución equilibrada de proyectos aplicados (Tabla 1).
Algunos ejemplos de los temas dentro del área química alimentaria, de bebidas y agrícola incluyen: evaluación de antioxidantes, deterioro de alimentos, descafeinización del café y determinación de vitamina C en bebidas, capacidad amortiguadora del suelo y comparativa entre cultivos hidropónicos y en tierra. En el área de química ambiental y sostenibilidad se destacan: eficiencia de filtros comerciales, impacto de la lluvia ácida, micro plásticos, proliferación de algas y fracturación hidráulica (hydrofracking). En la química del consumidor y cuidado personal: formulaciones de champú, quitaesmaltes, bálsamo labial, fijadores de cabello, protectores solares, perfumes y blanqueamiento dental. En energía, química física y electroquímica: producción de biodiésel, celdas solares y eficiencia de combustión. En la ciencia de materiales, química industrial y aplicada: adhesivos de consumo, lubricantes de alta eficiencia, mecanismos de adhesión inspirados en salamanquesas, retardantes de fuego, diseño de máquinas Rube Goldberg basadas en reacciones químicas, agentes espumantes y comportamiento de sales en agua. Finalmente, en la bioquímica y química medicinal: análisis de sustancias tóxicas, plomo, neurotransmisores (GABA, gamma-aminobutyric acid), ácido estomacal y efecto de metales en crecimiento bacteriano, electroporación celular y producción de aceite a partir de microalgas.
Los datos consolidados recopilados durante las encuestas post-ABP demostraron una evaluación altamente favorable por parte de los alumnos hacia la metodología (Tabla 2).
*DE = desviación estándar
El simposio de cierre congregó una muestra voluntaria de 324 asistentes (78.8% estudiantes, 14.8% padres de estudiantes y 6.5% autoridades del distrito, maestros y profesores universitarios). Los datos descriptivos de la Tabla 3 confirman que el evento colmó las expectativas globales de la comunidad.
El procesamiento inductivo de los testimonios literales (verbatim excerpts) dio origen a cinco macro-aseveraciones teóricas que caracterizan el impacto fenomenológico de la intervención:
Los diarios cualitativos semanales de las dos maestras revelaron la complejidad de la gestión de la enseñanza bajo metodologías activas:
La convergencia de datos cuantitativos y cualitativos demuestra que la intervención cumplió con la meta fundamental del estudio: proveer una experiencia de aprendizaje auténtica y rigurosa tras la conclusión del temario formal del examen de química avanzada. El alto grado de correlación cuali-cuantitativa (Tabla 5) permite validar la solidez metodológica de los hallazgos a través de una rigurosa triangulación metodológica.[30]
Los hallazgos respaldan de forma sólida la literatura previa sobre el ABP respecto a la estimulación del interés intrínseco.[30-32] El cambio estructural en el laboratorio—transitando de la ejecución de recetas experimentales predecibles hacia un diseño de "ensayo y error" donde el resultado final era desconocido —demostró ser el principal catalizador de la motivación y del desarrollo del pensamiento crítico de los estudiantes: "Este proyecto me enseñó mucho sobre el proceso de investigación científica. En todas las prácticas de laboratorio que hacemos en clase, seguimos un procedimiento que ya se nos ha dado o uno que hemos aprendido a ejecutar. En todos esos casos, conocemos cuál es el resultado final deseado. En nuestro ABP, no solo diseñamos nuestro propio procedimiento, sino que desconocíamos cuáles serían los resultados. Mi grupo también tuvo que aprender a realizar ajustes en nuestros métodos y en el diseño experimental con base en lo que iba ocurriendo en el experimento (Año 6 – Estudiante 45)".
La investigación científica a través de aprendizaje basado en problemas aporta lecciones fundamentales para los centros de educación secundaria que busquen emprender reformas curriculares basadas en metodologías activas:
Debido a la naturaleza exploratoria de este estudio y a las restricciones propias del diseño curricular institucional, no se empleó un grupo de control en la investigación. El uso de entrevistas estructuradas o semiestructuradas habría robustecido el alcance del estudio; sin embargo, debido al elevado volumen de participantes y a que la intervención se situó al cierre del ciclo escolar, dicha estrategia resultó inviable. A pesar de estas limitaciones metodológicas, las respuestas de los estudiantes y docentes a nuestros instrumentos de evaluación mostraron una consistencia interna a lo largo de los seis años de seguimiento.
Se concluye que el Aprendizaje Basado en Problemas, coronado con un simposio de divulgación científica en un entorno universitario externo, promueve el desarrollo de habilidades del siglo XXI y fomenta una sólida transición académica de la escuela secundaria a la educación universitaria. El diseño de este proyecto demuestra que la educación en ciencias es verdaderamente significativa cuando los estudiantes dejan de reproducir procedimientos y ponen las manos a la ciencia a través de oportunidades auténticas que sean de su propio interés.
Queremos agradecer a los estudiantes participantes por su disposición para brindar retroalimentación y formar parte de la implementación del ABP en el currículo de química avanzada. A la Sra. Eileen Malloy-Desormeaux, por su inagotable apoyo, guía y aliento a lo largo de este proceso. A la Dra. Nahyr D. Rovira-Figueroa, por sus valiosas sugerencias, su soporte logístico en el proyecto y la revisión crítica de este manuscrito. A los diferentes directores de la Escuela Secundaria Pittsford Sutherland y al liderazgo del distrito escolar por su respaldo institucional en este proyecto. Finalmente, a la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de St. John Fisher, por el financiamiento otorgado a través de las becas de desarrollo docente durante seis años para la adquisición de todos los insumos y materiales requeridos para la ejecución de los problemas de investigación.
En la web de la revista Anales de Química de la RSEQ (https://analesdequimica.es/index.php/AnalesQuimica) se podrá encontrar información complementaria al presente artículo. El Anexo 1 demuestra un ejemplo de la matriz cognitiva “KWHLAQ, por sus siglas en inglés”. El Anexo 2 incluye los detalles del ABP: eventos, tareas y fechas de entrega durante todo el proyecto. El Anexo 3 contiene un ejemplo del plan de proyecto ABP en donde se detalla los componentes del método científico. El Anexo 4, describe las instrucciones básicas de formato y estilo de redacción del poster ABP. El Anexo 5 presenta un ejemplo del programa del Simposio Científico. Finalmente, el Anexo 6 reúne evidencias fotográficas de los estudiantes durante la ejecución de sus experimentos y la elaboración de los pósteres de ABP en la escuela; asimismo, incluye imágenes de los alumnos presentando sus problemas —tanto en formato oral como en pósteres— durante el Simposio Científico ante la presencia de padres de familia, estudiantes, maestros y profesorado universitario.
