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 su parte, 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 más comúnmente utilizada "naturaleza de la ciencia"[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 tradicionalmente se 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 cuestiones globales, sociales o personales con base científica. El individuo alfabetizado no puede tomar tales decisiones basándose únicamente en el conocimiento científico. También debe comprender la fuente del conocimiento (es decir, la investigación científica o, en términos más actuales, las 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: ¿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, así como su respuesta a la inequidad 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 para convertirlos en profesionales científicos de diferentes 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 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 a 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 escéptica 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. Sin embargo, 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. No obstante, 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 a:

Conocimiento, actitudes y 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 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: adaptabilidad, comunicaciones complejas, resolución de problemas no rutinarios, autogestión y pensamiento sistémico. Estas habilidades están enmarcadas dentro de la escritura de disertación[17].

El Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos elaboró estas cinco habilidades en su informe sobre 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 son necesarias para que los estudiantes resuelvan 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 forman parte de estas decisiones. Al tomar esas decisiones, se supone que las personas deben aplicar algunas de sus otras bases de conocimiento, como el razonamiento matemático y los procesos tecnológicos y de ingeniería. Por ejemplo, si se espera que las personas tomen decisiones sobre si la energía eólica o solar es mejor para el medio ambiente y la economía, es necesario considerar que la solución no depende exclusivamente del conocimiento científico, sino también de otros conocimientos técnicos o de ingeniería, además de características que expliquen cómo funcionan realmente estos dos tipos de fuentes de energía. También se necesitan conocimientos matemáticos para calcular la eficiencia económica de las dos fuentes.

¿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” han generado confusión. Sin embargo, la frase "investigación científica" enfrenta un problema similar. Su significado ha sido difícil de precisar y, al menos en parte, esto explica por qué los Estándares de Ciencia de la Próxima Generación (NGSS) enfatizan las “prácticas científicas” en lugar de la “investigación científica”[18].

La investigación científica se conceptualizó como un enfoque de enseñanza, en el que el docente de ciencias involucra a los estudiantes en situaciones (en su mayoría abiertas) donde pueden plantear preguntas, recopilar datos y sacar conclusiones. En resumen, el propósito de este enfoque es permitir que los estudiantes aprendan materias científicas de una manera similar a cómo los científicos realizan su trabajo. Aunque estrechamente relacionada con los procesos científicos, la investigación científica abarca más que el desarrollo de habilidades como observar, inferir, clasificar, predecir, medir, cuestionar, interpretar y analizar datos.

La investigación científica incluye estos procesos tradicionales, pero también combina el conocimiento científico, el razonamiento científico y el pensamiento crítico para desarrollar nuevos conocimientos. En esencia, se refiere a enfoques sistemáticos que integran lectura, escritura y cálculo utilizados por los científicos para responder sus preguntas de interés.

No obstante, tanto los estudiantes preuniversitarios como el público en general suelen tener una visión distorsionada de la investigación científica, resultado de la educación, los medios de comunicación y el formato de los informes científicos. Esta visión distorsionada se denomina "EL MÉTODO CIENTÍFICO", una secuencia fija de pasos que se espera memorizar, recitar y seguir como una receta para el éxito.

Sin embargo, las visiones contemporáneas sobre la investigación científica sostienen que las preguntas guían el enfoque y que los métodos varían ampliamente dentro y entre disciplinas[19]. La percepción de un único método científico proviene en gran medida del diseño experimental clásico, que suele ajustarse a la narrativa de EL MÉTODO CIENTÍFICO presentada en libros de texto. El problema no radica en la existencia de investigaciones consistentes con "el método científico", sino en que los ejemplos experimentales no representan toda la gama de investigaciones científicas.

La investigación científica puede tomar diversas formas, como la descriptiva (o de disertación), la correlacional y la experimental. Por ejemplo, la investigación descriptiva deriva variables y factores clave desde la literatura disponible, mientras que la investigación correlacional explora las relaciones entre dichas variables. La investigación experimental, en cambio, implica intervenciones planificadas y manipulación de variables para establecer relaciones causales.

Aunque en algunas áreas las investigaciones progresan de lo descriptivo a lo experimental, en otras (como la astronomía) esto no siempre es posible ni necesario. Esto subraya que ningún método único es aplicable a todas las cuestiones científicas.

En el contexto de las reformas STEM, la "disertación" se percibe de tres formas diferentes:

Como un conjunto de habilidades que los estudiantes deben aprender y emplear al realizar investigaciones científicas.
Como un resultado cognitivo, donde los estudiantes deben aprender a argumentar, explicar y analizar científicamente.
Como un enfoque pedagógico, que utiliza la disertación como medio para enseñar conceptos científicos y fomentar el pensamiento crítico a través de la escritura.
Desafortunadamente, las diferencias entre "saber" (comprender los fundamentos lógicos) y "hacer" (implementar técnicas) a menudo se pasan por alto. Además, la concepción pedagógica de la disertación se comunica de manera limitada en la educación científica, especialmente a nivel universitario. Esta perspectiva, centrada en la escritura científica como medio para construir conocimiento, distingue las reformas STEM actuales de las anteriores. Sin embargo, la instrucción universitaria a menudo no integra plenamente esta dimensión clave, subestimando el papel de la disertación en el desarrollo de habilidades científicas esenciales.

En resumen, el conocimiento sobre la investigación científica incluido en los esfuerzos actuales de reforma STEM en la educación científica abarca los siguientes puntos clave:

• Inicio de la investigación: Todas las investigaciones científicas comienzan con una pregunta, aunque no necesariamente prueban una hipótesis específica. No existe un conjunto único y universal de pasos que se sigan en todas las investigaciones científicas (es decir, no hay un único método científico).
• Escritura de disertación como guía: Los procedimientos de investigación están guiados por la pregunta formulada, la cual se desarrolla y afina mediante la escritura de disertación.
• Resultados variables: Es posible que diferentes científicos que realicen los mismos procedimientos no obtengan exactamente los mismos resultados, debido a factores como el contexto o las condiciones experimentales.
• Influencia del diseño: Los procedimientos y el diseño de la investigación pueden influir directamente en los resultados obtenidos, destacando la importancia de planificar cuidadosamente cada etapa del proceso.
• Consistencia entre datos y conclusiones: Las conclusiones de la investigación deben estar fundamentadas en los datos recopilados, garantizando coherencia y rigor lógico.
• Datos versus evidencia: Los datos científicos no son equivalentes a la evidencia científica; esta última se deriva de la interpretación crítica y contextualización de los datos.
• Construcción de explicaciones: Las explicaciones científicas surgen de una combinación de los datos recopilados y el conocimiento existente en cuerpos de disertación ya publicados.

0.5 La investigación científica como componente STEM

Aunque la investigación científica ha sido considerada un resultado educativo importante para los estudiantes de ciencias durante más de 100 años, fue el trabajo de Showalter (1974) el que marcó un punto de inflexión al consolidar la investigación científica como un componente clave dentro del marco general de la alfabetización científica, junto con la Naturaleza de la Ciencia (NOSK, por sus siglas en inglés). El marco propuesto por Showalter constaba de los siguientes siete componentes:

• Naturaleza de la ciencia: Una persona con conocimientos científicos comprende la naturaleza del conocimiento científico, incluyendo sus fundamentos, limitaciones y métodos.
• Conceptos de ciencia: Posee la capacidad de aplicar de manera precisa conceptos, principios, leyes y teorías científicas al interactuar con el mundo que la rodea.
• Procesos de la ciencia: Utiliza los procesos de la ciencia para resolver problemas, tomar decisiones informadas y promover su propia comprensión del universo.
• Valores: Actúa de manera coherente con los valores que subyacen a la práctica científica, como la objetividad, la honestidad y el rigor intelectual.
• Relación ciencia-sociedad: Comprende y aprecia la colaboración entre la ciencia y la tecnología, así como las interrelaciones de estas con otros aspectos de la sociedad.
• Interés: Desarrolla una visión más rica, satisfactoria y emocionante del universo gracias a su educación científica, manteniendo un interés continuo por aprender y explorar a lo largo de su vida.
• Habilidades: Desarrolla diversas habilidades prácticas asociadas con la ciencia y la tecnología, como la manipulación de instrumentos y el análisis de datos.

El marco de Showalter enfatizó claramente los procesos científicos, que hoy en día se conocen como disertación, prácticas científicas o la Naturaleza de la Ciencia y el Conocimiento Científico (NOSK). Los atributos identificados en este modelo fueron posteriormente ampliados por la Asociación Nacional de Maestros de Ciencias (NSTA, por sus siglas en inglés)[22]. Las dimensiones de alfabetización científica definidas por la NSTA expandieron el alcance del marco de Showalter al incluir aspectos adicionales, que se detallan a continuación:

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

• Interacción ciencia-sociedad: Comprende cómo la sociedad influye en la ciencia y la tecnología, y viceversa.

• Control social sobre la ciencia: Entiende que la sociedad controla la ciencia y la tecnología mediante la asignación de recursos.

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

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

• Apreciación intelectual: Valora la ciencia y la tecnología por el estímulo intelectual que brindan.

• Generación de conocimiento: Comprende que el conocimiento científico se genera a través del proceso de investigación, teorías conceptuales y la escritura de disertación.

• Evidencia vs. opinión: Distingue entre evidencia científica y opinión personal.

• Provisionalidad del conocimiento: Reconoce que el conocimiento científico es provisional y está sujeto a cambios a medida que se acumulan nuevas pruebas.

• Decisiones tecnológicas: Comprende la aplicación de la tecnología y las decisiones que conlleva su uso.

• Valor de la investigación: Posee suficiente conocimiento y experiencia para apreciar la importancia de la investigación y los desarrollos tecnológicos.

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

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

El enfoque de STEM en las concepciones actuales enfatiza su rol como un método curricular integrado que aborda las interacciones entre la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas para resolver problemas de manera auténtica. Este enfoque se distancia del tradicional, que ha separado históricamente las disciplinas durante la instrucción preuniversitaria y universitaria, ignorando además la integración formal de la tecnología y la ingeniería【23】.

En un contexto real, las preguntas sobre el mundo natural, así como los problemas sociales o personales, rara vez pertenecen exclusivamente a una sola disciplina. En cambio, demandan colaboración interdisciplinaria entre individuos con diversos antecedentes y habilidades. Esta colaboración refleja la esencia de STEM, no como una disciplina autónoma con su propia "naturaleza", sino como un enfoque que combina la disertación, las ciencias del diseño experimental y la inferencia inductiva, respaldado por la 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 discuten y confunden 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, pero 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. Las personas 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 desarrollarse o transformarse 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 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, a su vez, 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 hacia 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 limitada o fortalecida 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 orbite alrededor del sol es un planeta (por ejemplo, la Tierra) y cualquier objeto que orbite 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 orbite 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 de 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 enseñanza en seminarios 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 otras formas sintéticas. Cuando se trata de conocimientos de nivel inferior, se 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