Sistemas de referencia en la enseñanza de la astronomía

En esta sección se discutirán los antecedentes relacionados al tema central de este trabajo de investigación: la utilización didáctica del sistema de referencia topocéntrico para la enseñanza acerca de los fenómenos astronómicos cotidianos. Los artículos han sido seleccionados en función de tener relación con la segunda parte de la pregunta b) de esta investigación:

b) ¿Pueden existir dificultades relacionadas con la utilización de un sistema de referencia centrado en el Sol para explicar fenómenos que son observados desde un punto de la superficie terrestre (que no es el punto origen del sistema)? Es decir, aquí se mencionarán artículos y citas de ellos que han puesto el eje en evidenciar las dificultades relacionadas con la utilización temprana de un punto de vista externo a nuestro planeta, dejando de lado la utilización de una perspectiva centrada en la Tierra. La pregunta específica sería: ¿Existen argumentos en la bibliografía que indiquen que enseñar astronomía desde el sistema de referencia topocéntrico puede ser útil para mejorar la comprensión de los alumnos?

Al respecto, hace unos 25 años atrás varios trabajos de investigación centraron su atención en recuperar la observación del cielo como eje central para la enseñanza de la astronomía en las escuelas. Para ello sugirieron que utilizar un modelo centrado en la Tierra podía ser muy útil dado que ese es el punto desde el que se observan todos los fenómenos celestes, por lo cual trabajar sólo desde una perspectiva externa a nuestro planeta no permitiría comprender adecuadamente los fenómenos que se observan a diario en el cielo. De este modo, se asoció la mayoría de las veces la descripción de los movimientos de los astros desde la superficie terrestre con el modelo geocéntrico antiguo sintetizado por Claudio Tolomeo en el siglo II:

"Nuestro punto de observación habitual para mirar la Tierra como planeta está sobre su misma superficie. En el caso de que la Tierra se moviese en el Universo, nosotros formaríamos un todo con ella, pero no seríamos conscientes de este desplazamiento... Ninguna percepción directa del cuerpo nos hace pensar en el desplazamiento de nuestro planeta sobre el que apoyamos los pies. No existen experimentos «cruciales» en el sentido de ser intuitivos para todos de forma inmediata..." (Lanciano, 1989, p. 174).

"No hay ninguna razón práctica evidente para hacernos abandonar el modelo de Tolomeo... Por el contrario, esto «funciona» estupendamente para explicar y describir lo que se ve cotidianamente" (Lanciano, 1989, p. 175).

"Cuando les planteamos qué pruebas tenemos de que la Tierra se mueva alrededor del Sol y no al revés, la ausencia de pruebas es absoluta y los alumnos recurren unánimemente a los argumentos de autoridad (porque lo dijo Galileo y esto es lo aceptado por todos los científicos)" (Jiménez Liso et al., 2012, p. 50).

Pese a las desventajas ya mencionadas de utilizar un punto de vista externo a la Tierra, todos los trabajos analizados plantearon la utilización de un punto de vista centrado en la Tierra como trabajo en simultáneo con el punto de vista externo a nuestro planeta. A su vez, la mayor parte de los trabajos tomaron al punto de vista centrado en la Tierra como una apariencia (lo que se observa) y como si la única forma de explicarlos fuese desde el espacio exterior:

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"Sin querer entrar en la polémica de si se deben utilizar sistemas geocéntricos o heliocéntricos en la explicación de las apariencias, conviene hacer notar que, aún desde un punto de vista heliocéntrico, sería conveniente una relación constante entre la observación y la explicación del fenómeno; al ver, por ejemplo, la órbita de Venus, no debe olvidarse relacionarla con su característica de astro matutino o vespertino" (Arribas de Costa y Rivière, 1989, p. 204).

"...no se trata de realizar una elección que elimine una hipótesis para admitir otra: nadie deja de ser completamente tolemáico para hacerse simplemente coperni- cano. Se trata, más bien, de ser capaz y consciente de aceptar la posibilidad de mantener dos modelos diferentes, dos modelos de lenguaje para hablar de lo mismo: mantener la visión tolemáica cotidiana y su relatividad con respecto a un sistema del mundo en el que todo se mueve y no existen centros locales... (Lanciano, 1989, p. 175)".

"El día y la noche, las estaciones y las fases serían fenómenos fácilmente explicables, para todos, si pudiéramos tener una perspectiva desde fuera del sistema Tierra-Sol-Luna. Consideramos que la dificultad no radica en los fenómenos en sí mismos sino en que buscamos comprenderlos desde una perspectiva topocéntrica, sin generar herramientas que nos permitan imaginar otros puntos de vista" (Camino, 1995, p. 87).

“...la instrucción sobre el movimiento celeste debe considerar el movimiento de los objetos celestes desde la Tierra y desde un marco de referencia heliocéntrico como parte del modelo mental del estudiante. El aprendizaje... implica «la capacidad de parte del alumno de tomar diferentes puntos de vista y de comprender cuándo diferentes concepciones son apropiadas según el contexto de uso (Vosniadou, 2007, p. 58)»... dar un enfoque de un sistema de referencia por sobre el otro puede resultar en forma no intencional en modelos sintéticos en lugar de en una visión científica coherente y aceptada culturalmente” (Plummer et al., 2011, p. 1969).

Para plantear este trabajo, Lanciano (1989) brinda sugerencias relacionadas con la observación a simple vista del cielo que ayudan a "ver lo que se piensa y pensar en lo que se ve" (p. 180):

 La posición del observador: es evidente la importancia del punto escogido para observar un fenómeno que se desarrolla en el tiempo y en el que un objeto recorre un espacio.

 La observación directa del cielo: si se utiliza el observatorio privilegiado de la astronomía, que es el cielo, la verdadera naturaleza y no sus imágenes, muchas cosas se presentan más claras y menos complejas.

 El sistema de referencia: para enseñar las estrellas se puede usar un sistema de coordenadas «locales» [topocéntrico], como el que está basado en el horizonte y la altura a éste, o un sistema de coordenadas «absolutas» [geocéntrico], válidas en cualquier punto de la Tierra.

 Maravillarse al observar el cielo: la capacidad de asombro ante la belleza y la grandiosidad del cielo pueden constituir la base para desear conocer y saber, mucho más que cualquier lección en el pizarrón.

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Como se ve, los trabajos ponen énfasis en desarrollar simultáneamente ambos puntos de vista, lo que ya se ha detectado que implica el uso de determinadas habilidades mentales que no todos los estudiantes poseen. En este sentido, existen pocos artículos que pongan énfasis en la relativa inutilidad práctica y cotidiana del sistema de referencia heliocéntrico, el cual no permite realizar descripciones ni predicciones sencillas respecto a los movimientos de los astros en el cielo. En consecuencia, tampoco pueden utilizarse estos movimientos para construir explicaciones sencillas de los fenómenos astronó- micos cotidianos:

"La inutilidad del modelo «tan válido» y «tan aceptado por todos» de la Tierra dando vueltas alrededor del Sol se pone de manifiesto cuando tienen que usarlo para explicar la variación del número de horas de luz solar a lo largo de un año en su localidad" (López-Gay et al., 2009, p. 50).

"A pesar de que no esté en discusión que la visión acumulativa-lineal es una visión deformada de la ciencia, son numerosos los ejemplos que encontramos en los que la presentación didáctica de un desarrollo histórico de un contenido induce o refuerza esta visión deformada. Es el caso concreto del sistema Sol- Tierra, en el que, desde muy pequeños, se nos indica que la Tierra da vueltas alrededor del Sol pero no se nos ofrece ninguna prueba de que ello suceda así y, además, se atribuye esta formulación del movimiento absoluto a Galileo, al mismo tiempo que se estudia su principio de relatividad" (Jiménez Liso et al., 2012, p. 49).

A su vez, la perspectiva centrada en la Tierra suele no ser desarrollada por los docentes con sus alumnos debido a que muchos de ellos sostienen que "es un modelo que está mal y que no debería ser usado en las clases" (Shen y Confrey, 2010, p. 22). Sin embargo, las investigaciones muestran que esta perspectiva es cercana al pensamiento de los estudiantes: muchos de los niños de 3er. grado creen que los movimientos que observan en el cielo constituyen desplazamientos de los propios objetos celestes, siendo muy pocos los niños que logran asociar el movimiento diario del Sol, la Luna y las estrellas en el cielo con la rotación terrestre (Plummer et al., 2011).

Por lo tanto, desarrollar la enseñanza de la astronomía a partir de la observación a simple vista del cielo y desde el sistema de referencia topocéntrico permite conectar a los niños con sus experiencias cotidianas y brindar un adecuado marco científico a los conocimientos construidos:

“Cualquier conocimiento que esté divorciado de la experiencia es superficial; el aprendizaje de la astronomía debería estar conectado con la experiencia personal, especialmente para niños muy pequeños; es muy común que a la gente le falte experiencia observacional cuando comienzan a aprender astronomía; y el aprendizaje del sistema de referencia geocéntrico provee alguna ayuda” (Shen y Confrey, 2010, p. 13)

“En un sentido formal, el modelo geocéntrico se refiere a un sistema que es cinemáticamente consistente con el modelo heliocéntrico. Los dos modelos son paralelos: difieren solamente en la preferencia de elección del origen de un particular sistema de referencia” (ibíd., pág. 8).

“La solución es tomar al movimiento como relativo: esto es, el origen de un sistema de referencia para describir el movimiento es arbitrario. La elección de un sistema de referencia es solamente una cuestión pragmática” (ibíd., pag 18).

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Más allá que algunos autores lo toman como sinónimos, en este trabajo utilizaremos la expresión "sistema de referencia topocéntrico" y no usaremos la de "modelo geocéntrico", tal como figura en la cita anterior, dado que esta última expresión puede provocar confusiones que supongan una cierta adhesión al modelo antiguo de universo, con sus principios fundamentales incluidos (Tierra central y estática, movimientos circulares y uniformes, diferencias entre el mundo supralunar y el sublunar, etc). Por el contrario, lo que se sostiene en este trabajo es la adhesión a los conceptos físicos vigentes hoy en día, como la relatividad de todos los movimientos y la posibilidad de descripción de los mismos desde cualquier sistema de referencia. A su vez, este desarrollo implica una concepción actual de la ciencia, que propone a los modelos como construcciones humanas que poseen fines descriptivos, explicativos y predictivos.

Desde un punto de vista físico, la elección de un determinado sistema de referencia espacial se basa en criterios de conveniencia (simplicidad de la descripción) y de rigidez (las distancias entre los cuerpos tomados como referencias espaciales deben mantenerse invariables). Este proceso de elección hace posible el estudio de la evolución de las teorías astronómicas y de los antiguos "sistemas del mundo", los cuales estaban naturalmente referidos a la Tierra, a la que creían central e inmóvil. Por lo tanto, discutir los sistemas de universo y su evolución constituye una oportunidad para trabajar sistemas de referencia con los alumnos (Nuvoli, 1992):

"...en principio cualquier sistema de referencia puede ser usado para describir el fenómeno. No debemos sostener que algún sistema es correcto en un sentido absoluto” (Dunin-Borkowski y Mank, 1992, p. 457).

“...Si se le pregunta a la gente, uno encuentra cierto buen conocimiento acerca de que la Tierra es un planeta, que orbita alrededor del Sol una vez al año y que rota alrededor de su eje una vez al día. Pero al preguntar para explicar las estaciones, usted encontrará extraordinariamente vagas o nulas ideas... El tratamiento de las estaciones es esencialmente un problema de transformación de sistemas de referencia. Varios fenómenos básicos de astronomía son cuestión de encontrar un adecuado sistema de referencia.” (Szostak, 1992, p. 491)

Luego de concluida esta sección, es posible afirmar que no existe ninguna razón debidamente fundamentada para explicar los fenómenos astronómicos cotidianos a niños de nivel primario, e incluso a adultos, exclusivamente desde una perspectiva externa a la Tierra. Los criterios de sencillez, relación con el entorno y la posibilidad concreta de realizar predicciones le brinda ciertas ventajas a la utilización del sistema de referencia topocéntrico. Esto no quiere decir abandonar el sistema de referencia heliocéntrico, pero sí colocarlo en el marco que le corresponde: como una posible forma de abordar la explicación de los fenómenos del día y la noche, las estaciones del año y las fases lunares, conociendo las dificultades de comprensión que trae asociadas. Por estos motivos, no queda del todo claro por qué las editoriales, los docentes y los formadores de futuros docentes continúan utilizando el sistema de referencia heliocéntrico en forma exclusiva al momento de intentar enseñar acerca de los fenómenos astronómicos cotidianos. La siguiente cita es sumamente representativa de la situación actual planteada en el seno de la didáctica de la astronomía:

"Las razones por las cuales las personas aceptan el sistema heliocéntrico hoy en día probablemente no son muy diferentes a las presentes en la antiguedad cuando el sistema geocéntrico era la ortodoxia" (Shen y Confrey, 2010, p. 22).

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