Quizá los ejemplos más espectaculares de los malentendidos estudiantiles son los tomados de la física. Los estudiantes norteamericanos dirigidos por una elite tecnológicamente orientada de universidades han recibido durante un cierto número de años una formación en ciencias generales o ciencia natural, y muchos han estudiado por lo menos un año de física. Así, durante la época en la que prosiguen el estudio de la física al nivel universitario, deben haber adquirido por lo menos una familiaridad lógica con los conceptos y las estructuras de la mecánica newtoniana. Tales estudiantes consiguen, de hecho, elevadas puntuaciones en pruebas estandarizadas sobre el conocimiento de la física, y probablemente consigan los puestos de honor cuando se examinen al final de un semestre o un año de física universitario.
¿Qué sucede cuando a estos estudiantes se les pone a prueba o se les examina de su conocimiento de la física en un contexto ajeno al aula? ¿Qué sucede cuando tienen que basarse en el conocimiento que ostensiblemente han alcanzado a través de algunos semestres durante años, a fin de explicar una demostración o dar cuenta de un nuevo fenómeno fuera del laboratorio? Veamos.
El investigador Andrea DiSessa[122] ideó un juego llamado Target (Objetivo), que se juega en un entorno computerizado con un objeto simulado llamado dinatortuga. La dinatortuga se puede mover alrededor de una pantalla de ordenador mediante órdenes como adelante, derecha, izquierda o patada; esta última orden da a la dinatortuga un impulso en la dirección en la que el objeto simulado está realmente orientado. Característicamente la dinatortuga recibe órdenes del tipo derecha 30 (grados) o adelante (100)
pasos.
La meta del juego es dar instrucciones a la dinatortuga, para que esta dé en un blanco y lo haga con la mínima velocidad de impacto. Se introduce a los participantes en el juego mediante una breve descripción de las órdenes y una prueba práctica, en la que tienen la oportunidad de aplicar unos pocos golpes con un pequeño mazo de madera a una pelota de tenis sobre una mesa. Descrito así, el juego suena bastante simple y, de hecho, tanto los niños de la escuela elemental como los estudiantes universitarios de física se entregan a él con entusiasmo y confianza. Sin embargo, casi todo el mundo fracasa tristemente en ambos niveles de experiencia. La razón, en resumen, es que el éxito en el juego requiere la comprensión y aplicación de las leyes del movimiento de Newton. Para lograr ganar, el jugador tiene que ser capaz de tener en cuenta la dirección y la velocidad con la que ya se ha ido moviendo la dinatortuga. Sea cual sea su instrucción formal, sin embargo, los jugadores de este juego se revelan aristotélicos empecinados. Suponen que, con tal que apunte directamente la dinatortuga al objetivo, tendrán éxito, y quedan perplejos cuando la patada no redunda en la deseada colisión.
Examinemos qué ocurrió con una estudiante del MIT de nombre Jane, a la que DiSessa estudió intensivamente. Jane sabía todos los formalismos que se enseñan durante el primer año universitario de física. Bajo circunstancias apropiadas de manual podía sacar la ecuación F = ma, podía recitar fielmente las leyes del movimiento de Newton, y podía emplear los principios de la suma de vectores cuando se le pedía que lo hiciera en grupos de problemas. Sin embargo, tan pronto como empezaba a jugar, adoptaba las mismas prácticas que los alumnos de la escuela elemental, suponiendo que la tortuga se desplazaría en la dirección de la patada. Durante media hora aplicó esta estrategia inapropiada. Sólo cuando se convenció de que esta estrategia no funcionaría hizo la observación fundamental de que un objeto no dejaría su movimiento anterior al coletazo precisamente porque se da una patada en una determinada dirección. El hecho de darse cuenta de ello condujo finalmente a la experimentación en la que la velocidad (o la velocidad en una determinada dirección) de la dinatortuga se tomó finalmente en consideración.
Ya hemos discutido la notable similitud del grupo de estrategias [de Jane] con las mostradas por niños de 11 y 12 años de edad. Pero lo que resulta igualmente notable es el hecho de que no relacionaba (de hecho durante un momento no podía hacerlo) el cometido con el que se enfrentaba en el juego con las clases de física que había recibido. No era que no pudiese hacer los análisis característicos de la física; su suma vectorial era, en sí misma, impecable. Se trataba más bien de que su física ingenua y la física que había aprendido en clase permanecían no relacionadas, y en este caso aplicaba su física ingenua… Se podría imaginar la física que se aprende en las aulas operando dentro de un esquema simbólico consciente tipificado por entidades discretas con relaciones explícitas y bien definidas, mientras la física ingenua funcionaría de un modo menos integrado —más al modo de los esquemas de acción de que habla Piaget—.
Claro que, sería perjudicial sacar excesivas conclusiones a partir del simple fallo de una estudiante en el momento de basarse en su instrucción formal al enfrentarse con un juego por ordenador. Pero el comportamiento de Jane resulta ser bastante típico de lo que se encuentra cuando se plantean a los estudiantes con formación en física o en ingeniería problemas fuera de los estrictos confines del aula —es decir, fuera de lo que se podría denominar el contexto texto-examen—. A continuación presentamos algunos ejemplos sacados de una amplia literatura sobre el tema[123]:
La física clásica enseña que los objetos se mueven en línea recta cuando no actúa sobre ellos ninguna fuerza externa. Se muestra a los estudiantes un diagrama o un aparato que está en movimiento —pongamos por caso, un tubo en movimiento circular— y se les pide que predigan la trayectoria de un objeto que se ha lanzado a través del aparato y sale entonces disparado del tubo. Casi la mitad de los sujetos que habían estudiado física indican su creencia de que el objeto seguirá moviéndose de un modo circular incluso después de haberse liberado del tubo.
Resulta interesante que los estudiantes no expresan las leyes del movimiento; más bien articulan las leyes que están en desacuerdo con
las leyes físicas formales. Tal como lo expresan, un objeto que se mueve por un tubo que gira adquiere una «fuerza» o un «momentum» que hace que continúe con un movimiento circular una vez que ha salido del tubo. Después de un momento, sin embargo, esta fuerza se disipa y la trayectoria en realidad se torna rectilínea.
Se pide a los estudiantes que designen las fuerzas que actúan sobre una moneda que se ha lanzado al aire y ha alcanzado el punto medio de su trayectoria. En un estudio, mencionado sucintamente en el capítulo 1, el 90% de los estudiantes de ingeniería que todavía no habían hecho su curso de mecánica y el 70% de los que lo habían hecho respondieron incorrectamente. En general, indicaban la existencia de dos fuerzas, una de dirección descendente que representaba la fuerza de gravedad y otra que apuntaba hacia arriba que representaba «la fuerza hacia arriba original con la que salía despedida de la mano». De hecho, sin embargo, una vez que la moneda había sido lanzada sólo se halla presente la fuerza gravitacional (si exceptuamos una cierta cantidad insignificante de la resistencia que ofrece el aire). El investigador John Clement explica que la mayoría, ya hayan o no superado un curso de mecánica, no son capaces de comprender que un objeto puede seguir moviéndose en una dirección dada aunque la única fuerza aparentemente operativa sobre él sea ejercida en una dirección opuesta.
A los estudiantes más avanzados que han seguido un curso en teoría especial de la relatividad se les pide que razonen en voz alta cuando buscan la solución a los problemas planteados por investigadores cognitivos. Un problema considera el funcionamiento de un reloj solar; el segundo implica la sincronización de relojes distantes. Los estudiantes son capaces de repetir de nuevo y de un modo fiel las principales afirmaciones de la teoría de la relatividad, según las cuales las propiedades físicas y temporales han de considerarse a la luz de un marco particular de referencia. Y con todo los estudiantes muestran en sus respuestas que de hecho se atienen a una creencia en un espacio y tiempo absolutos. Incluso un tutor del curso «muestra una firme devoción newtoniana hacia una imagen mecanicista del mundo, que
precisa que los objetos tengan propiedades fijas como longitud, masa, etc. y que las explicaciones de los fenómenos se den en función de estos objetos y de sus interacciones»[124]. Sólo cuando los estudiantes y el tutor se enfrentan con las inconsistencias que existen entre las afirmaciones que integran los modelos newtoniano y einsteiniano del universo empiezan a abordar los problemas de la forma apropiada.
Los alumnos de la escuela elemental y media reciben una formación en el hecho de que las diferencias entre las estaciones son causadas no sólo por la distancia física de la tierra respecto del sol sino más bien por el ángulo con que los rayos del sol atraviesan la atmósfera terrestre. Los alumnos aprenden a repetir de corrido esta respuesta cuando se les pregunta directamente por la cuestión. Sin embargo es evidente que no creen realmente en los datos científicos, puesto que tan pronto como la pregunta se les plantea en una forma modificada, vuelven a una explicación basada en la distancia física. Incluso la creencia en un mundo plano demuestra ser vigorosa. Habiendo concedido que el mundo es redondo, los estudiantes regresan a un compromiso: al igual que un pomelo que se ha cortado por la mitad, la tierra es redonda en la base pero sigue siendo cómodamente plana por arriba.
Esta lista de sorprendentes concepciones erróneas y realizaciones fallidas podría ampliarse fácilmente, pero la cuestión general debe quedar clara. Casi todos los estudiantes sin una instrucción científica formal y un porcentaje desconcertantemente alto de los que tienen una instrucción científica formal ofrecen explicaciones que están en desacuerdo con las simples y bien establecidas leyes del movimiento y de la mecánica. No es simplemente un caso de pura ignorancia del principio investigado; muchos de los estudiantes conocen y pueden enunciar las leyes sobre las que se deben basar. Tampoco es un caso de errores factuales; a los estudiantes no se les pregunta si el sol es una estrella o si un delfín es un pez. Sin duda algunos estudiantes, ciertamente, responden correctamente, y en muchos casos el grupo con el que se compara a los estudiantes universitarios tiene una edad entre diez y doce años, en lugar de nuestra proverbial edad de cinco años. Con todo, las consistentes concepciones erróneas mostradas por estudiantes bien instruidos
en ciencia son desconcertantes.
Empezamos a comprender lo que aquí sucede cuando recordamos las vigorosas teorías de la materia que los niños desarrollan durante los primeros años de vida. Los investigadores de las ciencias de la educación se refieren a las ideas centrales que ciñen estas teorías en términos de «primitivas». En virtud de sus interacciones sensoriomotrices y simbólicas con el mundo, los niños pequeños desarrollan «primitivas» del siguiente tipo: los agentes aplican fuerzas a objetos, estas fuerzas se transfieren a aquellos objetos, permitiéndoles continuar durante un momento antes de que «se desvanezcan gradualmente»; se puede decir qué cantidad de fuerza ha sido impuesta a los objetos observando sus trayectorias; si uno quiere que algo vaya en una determinada dirección, debe empujarlo en esa dirección y seguirá el curso deseado; todas las cosas caen, pero las cosas pesadas caen más rápido; la fricción se produce sólo cuando las cosas se mueven; el calor percibido viene determinado por la distancia respecto a la fuente de calor; y así sucesivamente.
Lo importante acerca de estas «primitivas» no es que estén completamente equivocadas o carezcan de cualquier utilidad. De hecho, se desarrollan y perduran porque demuestran ser suficientemente funcionales en el mundo del niño pequeño y pueden aprovecharse con cierta utilidad incluso en el mundo adulto. Lo que resulta sorprendente es que incluso los estudiantes con instrucción formal recaen en estas «primitivas» muy fácilmente cuando se enfrentan con un problema, un acertijo o fenómeno exterior al limitado entorno de un aula o examen de ciencia.
Nos podemos mover hacia una explicación de estos sorprendentes resultados analizando el problema del modo siguiente. Por un lado, las lecciones de la clase de física se aprenden de tal modo que pueden producirse en determinados contextos de redacción de informes, especialmente con las tareas para casa o las pruebas en el aula. La memorización de determinadas clases de demostraciones, definiciones y ecuaciones es suficiente, particularmente cuando los estudiantes saben de antemano la forma que estos informes van a adoptar. Con tal que las preguntas se planteen en un cierto marco esperado, parecerá que los estudiantes comprenden, y la condición esencial de la enseñanza de la ciencia se habrá respetado, prevaleciendo el
compromiso de la respuesta correcta.
Sin embargo, cuando el estudiante no está preparado para esperar que se invoque un determinado elemento del conocimiento físico, se invoca fácilmente un segundo y más poderoso conjunto de mecanismos. Se trata, en efecto, de las bien enraizadas teorías de la materia que se basan en las «primitivas» fenomenológicas que se formaron en los primeros años de la vida. Estos principios, nunca abiertamente examinados, nunca confrontados con las leyes de la física, surgen espontáneamente tan pronto como un nuevo problema se presenta en el horizonte. Y es por esto que, por lo visto los adolescentes de dieciocho años, en apariencia competentes, actúan de un modo poco diferente de los niños de siete años.
Sería engañoso sugerir que las explicaciones o concepciones correctas son necesariamente más sofisticadas o complejas que las concepciones erróneas, aunque en el caso de la relatividad sí que sería así. (De hecho, en algunos casos, las explicaciones correctas pueden ser consideradas como más simples, porque se ha designado que expliquen mundos idealizados, como por ejemplo mundos sin fricción). La siguiente se ajusta más a la verdad.
Cada persona, por el hecho de vivir como ser humano en un mundo con ciertas dimensiones físicas y sociales, desarrolla una colección completa de conceptos, esquemas y marcos que lleva consigo al intentar jugar juegos, explicar fenómenos o simplemente abrirse paso por el mundo. Algunos de estos esquemas se obtienen más fácilmente en un contexto dado, mientras que en otro pueden evocarse, dependiendo de circunstancias particulares, indicaciones o esfuerzos especiales.
Por tomar un ejemplo, al intentar comprender un fenómeno como la electricidad, los estudiantes se apoyan en modelos mentales disponibles como «agua corriente» o «conglomeración numerosísima». El modelo que se invoca, el acuático o el otro, dependerá de factores como el léxico utilizado por un libro de texto, su preferencia previa por uno de los modelos, y su propia experiencia con los cables de electricidad, con las tormentas, las baterías u otros fenómenos o aparatos eléctricos. En principio este procedimiento de búsqueda del modelo más apropiado e ilustrativo no es diferente del que se plantearon los físicos que lucharon durante siglos para determinar si es mejor considerar que la luz está compuesta de partículas o de
ondas o una extraña mezcla de estas dos cosas. La meta de la educación científica efectiva es ayudar a los estudiantes a comprender por qué determinadas analogías, modelos mentales o esquemas se consideran ahora más apropiados para la comprensión de un fenómeno o un conjunto de fenómenos. Este estado de cosas —una comprensión realizada— puede llegar a merecer la aprobación sólo si los estudiantes se familiarizan con los nuevos modelos, comprenden las razones que los sustentan, perciben por qué son más apropiados que los modelos anteriores y concurrentes que puede que conserven aún su atractivo, y sean así, pues, capaces de basarse en ellos cuando se encuentren con un nuevo problema, acertijo o fenómeno. No es una labor menor —incluso para los propios físicos—. En el capítulo 11 sugiero que una vía prometedora hacia esa comprensión perfeccionada es la creación de encuentros cristobalianos: situaciones en las que los primeros modelos o concepciones erróneas de los estudiantes se enfocan intensamente gracias a una experiencia que pone en duda directamente la viabilidad del modelo que ellos han favorecido.