Educació Química EduQ

EducacióQuímica

EduQ

SocietatCatalanadeQuímica-

Químicai sostenibilitat

Desarrollando pensamientoquímico encontextossociales yambientales

Actualización delcurrículum eneducaciónquímica: laimportancia delaluz solarennuestravida

Químicaeeducação paraasustentabilidade: fundamentosepropostas curricularesparaTimorLeste

Sostenibilitatimaterials: explorantelslligams entreproducciód’energia inousmaterials

Educacióquímicai ciènciadelasostenibilitat.Unanovaipotent fontdemotivacióper alsestudiants

Educació Química EduQ

Febrer 2014, número 17

Editors

Fina Guitart, CESIRE-CDEC, SCQ, Barcelona

Aureli Caamaño, SCQ, Barcelona

Consell Editor

Josep Corominas, Escola Pia, Sitges

Jordi Cuadros, IQS-URL, Barcelona

Josep Durán, UdG, Girona

Pere Grapí, INS Joan Oliver, Sabadell

Mercè Izquierdo, UAB, Barcelona

Claudi Mans, UB, Barcelona

Àngel Messeguer, CSIC, Barcelona

Neus Sanmartí, UAB, Barcelona

Montse Tortosa, INS Ferran Casablancas, Sabadell

Amparo Vilches, UV, València

Consell Assessor

Consell Assessor Catalunya / Espanya

Joan Aliberas, INS Puig Cadafalch, Mataró

Miquel Calvet, INS Castellar, Castellar del Vallès

Francesc Centellas, UB, Barcelona

Regina Civil, Escola Sakado, Barcelona

Anicet Cosialls, INS Guindàvols, Lleida

Carlos Durán, Centro Principia, Màlaga

Xavier Duran, TV3, Barcelona

Josep M. Fernández, UB, Barcelona

Dolors Grau, UPC, Manresa

Paz Gómez, INS Provençana, l’Hospitalet de Llobregat

Elvira González, Centro de Ciencias, Bilbao

Pilar González Duarte, UAB, Barcelona

Ruth Jiménez, UAL, Almeria

Teresa Lupión, Centro de Recursos UMA, Màlaga

María Jesús Martín-Díaz, IES Jorge Manrique, Madrid

Conxita Mayós, Departament d’Ensenyament, Barcelona

José María Oliva, UCA, Cadis

Gabriel Pinto, UPM, RSEQ, Madrid

Marta Planas, UdG, Girona

Anna Roglans, UdG, Girona

Núria Ruiz, URV, Tarragona

Olga Schaaff, Escola Rosa dels Vents, Barcelona

Marta Segura, Escola Pia Nostra Senyora, Barcelona

Rosa Maria Tarín, UAB, Barcelona

Romà Tauler, IDAEA-CSIC, Barcelona

Gregori Ujaque, UAB, Barcelona

Nora Ventosa, ICMAB-CSIC, Barcelona

Josep Anton Vieta, UdG, Girona

Consell Assessor Internacional

María del Carmen Barreto, Universitat de Piura, Perú Liberato Cardellini, U. Politecnica delle Marche, Itàlia

Agustina Echeverria, Universitat Federal de Goiás, Brasil

Sibel Erduran, Universitat de Bristol, Regne Unit

Odilla Finlayson, Universitat de Dublín, Irlanda

Andoni Garritz , UNAM, Mèxic

Lidia Galagowsky, Universitat de Buenos Aires, Argentina

Marcelo Giordan. Universitat de São Paulo, Brasil

Gisela Hernández, UNAM, Mèxic Èric Jover, Observatori de la Sostenibilitat d’Andorra Isabel Martins, Universitat d’Aveiro, Portugal

Eduardo Mortimer, Universitat de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil

Carlos Javier Mosquera, Universitat Distrital, Bogotà, Colòmbia Fátima Paixão, Castelo Branco, Portugal Vincent Parbelle, Lycée La Martinière, Lió, França Ilka Parchmann, Universitat de Kiel, Alemanya Mario Quintanilla, Pontifícia Universitat Catòlica, Xile Santiago Sandi-Urena, Universitat de Tampa, Florida, EUA Wilson dos Santos, Universitat de Brasília, Brasil Vicente Talanquer, Universitat d’Arizona, EUA

Societat Catalana de Química (SCQ) http://blogs.iec.cat/scq/ President: Romà Tauler filial de l’ Institut d'Estudis Catalans (IEC) Barcelona. Catalunya. Espanya

Impressió: Gráficas Rey

ISSN: 2013-1755

Dipòsit Legal: B-35770-2008

ÍNDEX

Editorial

Química i sostenibilitat . .

Aureli Caamaño, Fina Guitart i Amparo Vilches

Monografia: Química i sostenibilitat

Desarrollando pensamiento químico en contextos sociales y ambientales

Vicente Talanquer

Actualización del currículum en educación química: la importancia de la luz solar en nuestra vida 12

Julia Pérez-Prieto

Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste 20

Isabel P. Martins, M. Arminda Pedrosa, António José Ferreira i M. Otilde Simões

Sostenibilitat i materials: explorant els lligams entre producció d’energia i nous materials

Fernando Sapiña Navarro

Educació química i ciència de la sostenibilitat.

Una nova i potent font de motivació per als estudiants

30

37 Amparo Vilches i Daniel Gil Pérez

Intercanvi

Ensino de química entre a sala de aula e o Museu do Papel

Manuela Ortigão i Fátima Paixão

45

Trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial del profesorado planificando una investigación 55 Beatriz Crujeiras Pérez i Blanca Puig Mauriz

Informacions

Ressenya

Les 100 molècules que han canviat (més o menys) la història de la química

Fina Guitart

Imatge de portada: iStockphoto

62

Editorial

Monografia: «Química i sostenibilitat»

educació Química EduQ vol contribuir amb aquest monogràfic a sensibilitzar els lectors al voltant de l’important paper que la química ha de desenvolupar (i ja està desenvolupant) per fer front al conjunt dels problemes socioambientals estretament vinculats que caracteritzen l’actual situació d’emergència planetària, alhora que contribuir a la construcció d’un futur sostenible. Comprendre això, aproximar els estudiants a problemàtiques vitals d’interès col·lectiu, també en millorarà les actituds i l’interès cap a la química i el seu estudi.

Des del seu naixement, Educació Química EduQ ha anat publicant contribucions en el camp de la química verda o química per a la sostenibilitat, que estudia, entre d’altres, com es pot mitigar i prevenir la contaminació, com es pot contribuir a l’eficiència dels processos, etc. En aquesta ocasió, l’any que acaba la Dècada de l’Educació per a un Futur Sostenible, instituïda per les Nacions Unides el 2005, el Consell Editorial ha decidit dedicar un monogràfic a «Química i sostenibilitat», el qual compta amb especialistes en aquest camp i en el de l’ensenyament de la química. Es tracta de contribuir a donar a conèixer aportacions d’aquest àmbit per la urgència d’adoptar mesures davant la crisi global a la qual ha de fer front la humanitat.

En l’article «Desarrollando pensamiento químico en contextos sociales y ambientales», Vicente Talanquer, del Departament de Química i Bioquímica de la Universitat d’Arizona, descriu una proposta educativa per a l’ensenyament de la química en l’àmbit universitari, amb formes de raonament que ens permeten resoldre qüestions i problemes de gran importància per a la supervivència de les societats i mostrant que això no sols millora l’actitud dels estudiants cap a la química, sinó que també té un impacte positiu en l’aprenentatge de coneixements i habilitats de la disciplina.

Julia Pérez-Prieto, de l’Institut de Ciència Molecular de la Universitat de València, en l’article «Actualización del currículum en educación química: la importancia de la luz solar en nuestra vida», justifica la necessitat de prestar atenció als processos induïts per la llum solar per tal que aquesta generació i les futures arribin a comprendre els processos essencials per a la vida i com poden millorar-los. Tot mostrant que la llum és sens dubte el reactiu químic més «verd», crida l’atenció entorn dels efectes negatius de la sobreexposició solar, un problema cada dia més greu pel canvi climàtic i la pèrdua d’ozó.

L’equip format pels docents i investigadors portuguesos Isabel P. Martins (Universitat d’Aveiro), M. Arminda Pedrosa (Universitat de Coïmbra), António José Ferreira i M. Otilde Simões (Escola Secundària d’Avelar Brotero), en l’article «Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste», presenta el disseny d’un currículum de química d’educació secundària per a Timor Oriental. Dins d’aquest gran repte social i educatiu, l’equip fonamenta els continguts químics essencials contextualitzats en la perspectiva de l’educació per a la sostenibilitat.

«Sostenibilitat i materials: explorant els lligams entre producció d’energia i nous materials» és el títol de l’article de

Fernando Sapiña, de l’Institut de Ciència dels Materials de la Universitat de València. En ell s’analitzen els vincles entre noves fonts d’energia i nous materials, davant la necessitat de fer una transició des d’un sistema energètic basat en combustibles fòssils cap a un sistema basat en fonts d’energia renovables. Així, doncs, es necessitaran nous materials, cridant l’atenció en el fet que es tracta de recursos no renovables, amb problemes per a la sostenibilitat.

En el treball «Educació química i ciència de la sostenibilitat. Una nova i potent font de motivació per als estudiants», Daniel Gil i Amparo Vilches, del Departament de Didàctica de les Ciències de la Universitat de València, analitzen l’origen i la naturalesa d’un procés de canvi científic i cultural gràcies al qual l’estudi de la química i d’altres disciplines pot convertir estudiants i professors en protagonistes de la «transició a la sostenibilitat», un repte que pot contribuir a despertar l’interès dels estudiants tot millorant l’aprenentatge i evitant visions negatives respecte de la química.

En la part d’«Intercanvi», l’article «Ensino de química entre a sala de aula e o Museu do Papel», de Manuela Ortigão i Fátima Paixão, ens descriu i aporta dades de l’avaluació d’una seqüència d’activitats, algunes de les quals es realitzen a l’escola i d’altres, en un entorn d’educació no formal com és un museu paperer.

I, per cloure el número, Beatriz Crujeiras i Blanca Puig, autores de l’article «Trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial del profesorado planificando una investigación», presenten una activitat realitzada amb alumnes del grau de mestre d’educació primària i n’analitzen i en valoren el resultat. Esperem que el número sigui del vostre interès i que gaudiu de la lectura.

Aureli Caamaño i Fina Guitart Editors d’Educació Química EduQ

Amparo Vilches Coordinadora de la monografia «Química i sostenibilitat»

Desarrollando pensamiento químico en contextos sociales y ambientales

Desenvolupant pensament químic en contextos socials i ambientals

Developing chemical thinking in social and environmental contexts

Vicente Talanquer / Universidad de Arizona. Departamento de Química y Bioquímica (Tucson, AZ, EE. UU.)

resumen

En este trabajo se describe una propuesta educativa alternativa para la enseñanza de la química general a nivel universitario. El currículo se centra en el desarrollo de formas de pensamiento químico útiles para resolver problemas en contextos sociales y ambientales. En particular, las metas educativas se dirigen a preparar estudiantes que puedan identificar el tipo de preguntas que la química nos ayuda a responder, los recursos intelectuales y experimentales existentes para enfrentar tales retos y los costos y beneficios de usar la química para resolver nuestros problemas.

palabras clave

Currículo, enseñanza, química en contexto, química general, pensamiento químico.

resum

En aquest treball es descriu una proposta educativa alternativa per a l’ensenyament de la química general en l’àmbit universitari. El currículum se centra en el desenvolupament de formes de pensament químic útils per resoldre problemes en contextos socials i ambientals. En particular, les metes educatives s’adrecen a preparar estudiants que puguin identificar el tipus de preguntes que la química ens ajuda a respondre, els recursos intel·lectuals i experimentals existents per afrontar aquests reptes i els costos i beneficis d’utilitzar la química per resoldre els nostres problemes.

paraules clau

Currículum, ensenyament, química en context, química general, pensament químic.

abstract

This work describes an alternative educational approach for the teaching of general chemistry at the college level. The curriculum is focused on the development of chemical ways of thinking that are useful for solving problems in social and environmental contexts. In particular, the educational goals are directed at preparing students who can identify the types of questions that chemistry helps us answer, the intellectual and experimental resources that are available to face such challenges, and the costs and benefits of using chemistry to solve our problems.

keywords

Curriculum, teaching, chemistry in context, general chemistry, chemical thinking.

Introducción

En los últimos treinta años, muchas de las discusiones sobre enseñanza de la química en los

niveles preuniversitarios se han enfocado a tratar de resolver la tensión entre enfoques didácticos que enfatizan el aprendizaje de

conceptos y habilidades centrales en la disciplina y abordajes educativos que privilegian la contextualización del conoci-

miento y la alfabetización científica de la ciudadanía (Eilks et al., 2013; Vilches y Gil Pérez, 2013). Los estándares educativos, los abordajes curriculares y la investigación educativa desarrollados en este período reflejan la búsqueda de alternativas que resuelvan la tensión entre lo que muchos docentes perciben como visiones dicotómicas en la enseñanza de las ciencias (Talanquer, 2012). Sin embargo, hoy es relativamente fácil distinguir entre proyectos curriculares que privilegian el desarrollo y la aplicación de conocimientos y habilidades científicas para generar explicaciones de fenómenos naturales y proyectos que se enfocan a la preparación de ciudadanos responsables con la capacidad de tomar decisiones informadas en cuestiones sociales y ambientales relacionadas con ciencia y tecnología. Los debates sobre enseñanza para la formación científica o para la formación ciudadana han sido mucho menos intensos a nivel universitario. En general, los docentes e investigadores universitarios en las áreas de ciencias e ingenierías enfocan sus esfuerzos a la enseñanza de lo que conciben como conceptos y habilidades centrales en cada disciplina, con poca discusión, reflexión o evaluación sobre su relevancia más allá de las aulas. Por lo menos en los Estados Unidos, los abordajes contextualizados en la enseñanza de las ciencias se han visto relegados a cursos introductorios destinados a estudiantes de ciencias sociales, artes y humanidades. Ese ha sido el destino, por ejemplo, del proyecto «Química en contexto», de la Sociedad Americana de Química (Eubanks et al., 2009), el cual ha tenido un impacto muy limitado en la enseñanza de cursos de química para estudiantes de ciencias e ingenierías.

La falta de cuestionamiento, discusión y reflexión sobre los objetivos y el enfoque de los cursos de ciencias a nivel universitario es problemática en varios niveles. Por un lado, se desconoce la necesidad de preparar profesionales éticos y responsables con la capacidad de evaluar los beneficios, costos y riesgos sociales y ambientales de sus decisiones y actividades. Por otro lado, se desperdicia la oportunidad de involucrar a los estudiantes en el análisis, investigación, explicación y discusión de problemas relevantes, lo que se ha demostrado que tiene un impacto positivo tanto en la motivación como en el aprendizaje. Adicionalmente, se desconoce que, particularmente en cursos introductorios, la mayoría de los estudiantes no elegirán convertirse en profesionales de la disciplina y, por tanto, se beneficiarían de una enseñanza que los ayudaría a identificar la relevancia de lo aprendido en contextos diversos.

La falta de cuestionamiento, discusión y reflexión sobre los objetivos y el enfoque de los cursos de ciencias a nivel universitario es problemática en varios niveles

Dada esta problemática, en años recientes hemos trabajado en el desarrollo de una alternativa para la enseñanza de la química general a nivel universitario en los Estados Unidos. El curso de química general es un requisito para la mayoría de los estudiantes de carreras de ciencias e ingenierías y tiene una duración de un año (dos semestres académicos consecutivos). Nuestro objetivo central ha sido la creación de un currículo

centrado en el desarrollo de formas de pensamiento químico de gran utilidad en el análisis y la resolución de problemas relevantes en contextos variados (Talanquer y Pollard, 2010). La propuesta curricular busca encontrar un balance apropiado entre el énfasis en el aprendizaje de ideas y habilidades centrales en química y el desarrollo de capacidades para aplicar tal conocimiento al análisis de problemas con relevancia social y ambiental. En las siguientes secciones de este artículo se describen las características esenciales de nuestra propuesta educativa y se presentan resultados sobre su impacto en el aprendizaje y la motivación de los estudiantes involucrados.

Desarrollando pensamiento químico

La mayoría de los cursos de química general a nivel universitario en los Estados Unidos siguen la misma secuencia temática, presentando conocimientos fundamentales de química de manera escalonada y segmentada: estructura atómica, enlace químico, estructura molecular, estados de la materia, disoluciones acuosas, cinética química, termodinámica, equilibrio químico, etc. (Lloyd, 1992). Los objetivos de aprendizaje se centran en la adquisición de un conjunto de conocimientos y habilidades específicos considerados fundamentales en la química escolar tradicional: balancear ecuaciones químicas, establecer configuraciones electrónicas de átomos e iones, escribir estructuras de Lewis, realizar cálculos estequiométricos, calcular concentraciones al equilibrio, etc. La utilidad y la relevancia de dichos conocimientos y habilidades son poco discutidas y tienden a presentarse, a través de viñetas cortas, preguntas o problemas, al inicio o al final de cada tema.

La «escalera» temática de los cursos de química general tradicionales contrasta con la organización en forma de «telaraña» temática de los currículos de química en contexto (Schwartz, 2006). En estos casos, el currículo comúnmente se organiza alrededor de problemáticas relevantes tales como calentamiento global, fuentes alternativas de energía y contaminación ambiental, introduciendo ideas y conceptos químicos específicos que resultan de utilidad para comprender y reflexionar sobre los temas de interés. Aunque existen diversos enfoques educativos, es común que los objetivos de aprendizaje en este tipo de currículos se centren en el desarrollo de capacidades para analizar problemas sociales y ambientales desde una perspectiva química, así como para construir argumentos y tomar decisiones justificadas con base en información fiable y la aplicación de principios químicos fundamentales (Burmeister, Rauch y Eilks, 2012).

De manera general, ambos tipos de abordajes curriculares enfatizan la adquisición de conocimientos especializados, ya sea de química básica (¿cuál es la estructura de un átomo?, ¿qué distingue los diferentes tipos de enlace químico?) o sobre los contextos bajo análisis (¿qué sustancias son gases invernadero?, ¿qué causa la destrucción de la capa de ozono en nuestro

planeta?). Una de las diferencias centrales de nuestra propuesta educativa es que nuestro interés se centra más en el desarrollo de formas de pensamiento químico que resultan de utilidad para resolver problemas relevantes en contextos variados que en la adquisición de conocimientos especializados sobre ciertos temas. En nuestro trabajo, pensamiento químico se define como «el desarrollo y la aplicación de conocimientos y habilidades químicos con el fin de analizar, sintetizar y transformar la materia con fines prácticos» (Sevian y Talanquer, 2013). En particular, nuestro objetivo es ayudar a los estudiantes a identificar tres cuestiones fundamentales:

El tipo de preguntas que la química nos ayuda a responder.

Las herramientas intelectuales y experimentales desarrolladas por los químicos para resolver tales preguntas.

La relevancia y la diversidad de los problemas sociales y ambientales en los que el pensamiento químico juega un papel central en la generación de soluciones.

Con estas metas en mente, el currículo del curso que denominamos Pensamiento químico está organizado alrededor de preguntas esenciales que definen las unidades de estudio (ver tabla 1). Como se describe con más detalle en la próxima sección, la búsqueda de respues-

tas a estas preguntas en diversos contextos determina la organización del contenido y de las actividades de enseñanza.

Un ejemplo

Para ilustrar de mejor manera la naturaleza de nuestro abordaje educativo centrado en el pensamiento químico, a continuación se describen los objetivos de aprendizaje y las secuencias didácticas que guían el trabajo de docentes y estudiantes en la primera unidad del curso, «¿Cómo diferenciamos sustancias químicas?», que dura aproximadamente cuatro semanas. En esta unidad se busca que los estudiantes reconozcan que el pensamiento químico resulta de gran utilidad para separar, identificar, detectar y cuantificar las diversas sustancias que componen sistemas con los que interactuamos cada día, tales como el agua que bebemos, el aire que respiramos y la comida que ingerimos. En particular, se espera que al final de la unidad los estudiantes sean capaces de:

Diseñar e implementar estrategias para separar, identificar y cuantificar los principales componentes de un sistema, dada información experimental sobre propiedades físicas intensivas, como densidad o punto de fusión, composición elemental y masa molar de cada uno de ellos. Química general I (primer semestre) Química general II (segundo semestre)

1. ¿Cómo diferenciamos sustancias químicas?5. ¿Cómo predecimos cambios químicos?

2. ¿Cómo determinamos la estructura? 6. ¿Cómo controlamos los cambios químicos?

3. ¿Cómo predecimos propiedades? 7. ¿Cómo sintetizamos sustancias químicas?

4. ¿Cómo caracterizamos cambios químicos? 8. ¿Cómo aprovechamos la energía química?

Tabla 1. Unidades de trabajo en el curso de química general Pensamiento químico

El trabajo en esta unidad se inicia con actividades exploratorias que ayudan a los estudiantes a reconocer que la solución al problema de separar e identificar los componentes químicos de un sistema demanda que encontremos propiedades diferenciantes con valores característicos para cada sustancia. Estas exploraciones sirven de base para introducir el concepto de propiedades físicas intensivas, tales como puntos de fusión y ebullición, y motivan la necesidad de estudiar y entender los cambios de fase que pueden sufrir los componentes del sistema bajo estudio. En particular, la mayoría de las actividades exploratorias y de aplicación en esta unidad se centran en diseñar estrategias para separar y analizar los componentes de diversos sistemas ambientales (principalmente, atmosféricos y acuíferos).

El reconocimiento de que sustancias distintas exhiben diferentes comportamientos de fase crea la necesidad de buscar modelos de la materia que nos permitan explicar tales diferencias. La búsqueda de estos modelos lleva a introducir el modelo corpuscular de la materia, en el que diferencias en propiedades físicas macroscópicas pueden explicarse con base en diferencias en la magnitud de las fuerzas de interacción entre partículas componentes. Durante esta etapa del aprendizaje, los estudiantes hacen uso de simulaciones computacionales interactivas que les permiten explorar el efecto de diversas variables sobre las propiedades y el comportamiento del sistema modelado (fig. 1). Varias de estas herramientas computacionales han sido desarrolladas por nuestro grupo de didáctica de la química y se puede acceder a ellas sin costo alguno en la siguiente dirección electrónica: http://www.chem. arizona.edu/chemt/EduQ/ (Talan-

Figura 1. Pantalla de la simulación de un sistema de partículas usando dinámica molecular. Esta herramienta puede usarse para explorar transiciones de fase en la escala corpuscular.

quer, 2009). Solo se requiere contar con una computadora, un navegador y el plug-in de Flash disponible gratuitamente en internet.

El siguiente módulo de trabajo se centra en la búsqueda de factores responsables de las diferencias en la magnitud de las fuerzas de interacción entre las partículas que componen las sustancias de interés. Nuevas actividades de exploración y discusión se utilizan para introducir conceptos tales como composición atómica y masa atómica relativa (nivel submicroscópico), así como composición química y masa molar (nivel macroscópico). Este trabajo abre la puerta al análisis de estrategias para cuantificar la cantidad de átomos o moléculas componentes de un sistema haciendo uso de los conceptos de cantidad de sustancia (y su unidad, el mol) y masa molar. En este proceso, los estudiantes también analizan los fundamentos de técnicas experimentales que permiten determinar la masa molecular (como espectrometría

de masas) y la composición elemental (como análisis de combustión) de los componentes de un sistema. Los conocimientos, formas de pensar y métodos experimentales introducidos en la unidad «¿Cómo diferenciamos sustancias químicas?» se exploran y discuten en el contexto de analizar y evaluar múltiples sistemas de interés ambiental. Por ejemplo, las discusiones sobre cuantificación de los componentes de un sistema involucran a los estudiantes en el análisis de cambios en la concentración de ozono en diferentes regiones de nuestra ciudad, así como en la investigación de la concentración de diversos gases invernadero. El trabajo de identificación de la composición química de sustancias los lleva a analizar la presencia de compuestos orgánicos volátiles en la atmósfera y en acuíferos en los Estados Unidos (fig. 2). Al finalizar la unidad, las evaluaciones sumativas se diseñan con el fin de que los estudiantes demuestren que

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Desarrollando pensamiento químico en contextos sociales y ambientales

Monografia / Aprenentatge de conceptes

Figura 2. Ejemplos de actividades de aplicación en la unidad «¿Cómo diferenciamos sustancias químicas?» en las que los estudiantes analizan distintos sistemas ambientales.

Figura 3. Ejemplo de una sección de una evaluación sumativa de la unidad «¿Cómo diferenciamos sustancias químicas?» en la que los estudiantes analizan distintos sistemas ambientales en un satélite de Saturno, Titán.

pueden aplicar conocimientos y formas de razonamiento en el análisis de un caso/problema en un contexto diferente. Por ejemplo, hemos desarrollado evaluaciones en las que los retos han incluido: la exploración de sistemas ambientales en un satélite en nuestro sistema solar (fig. 3); el análisis y la evaluación del comportamiento y uso de sustancias refrigerantes; la exploración de la composición y el efecto de sustancias utilizadas en la fracturación hidráulica, y el análisis de los componentes de mezclas de compuestos utilizadas en la limpieza de derrames de petróleo en el océano.

A lo largo del curso Pensamiento químico, los estudiantes adquieren conocimientos y desarrollan formas de razonamiento químico que son útiles para responder preguntas de central interés para las sociedades modernas. Por ejemplo, la respuesta a la pregunta «¿Cómo caracterizamos cambios químicos?» se explora principalmente en el contexto de desarrollar estrategias para reducir la producción de sustancias contaminantes en motores de combustión. La respuesta a la pregunta «¿Cómo controlamos los cambios químicos?» se busca en el análisis del comportamiento y los efectos de medicinas y drogas en nuestro cuerpo, mientras que la pregunta

A lo largo del curso Pensamiento químico, los estudiantes adquieren conocimientos y desarrollan formas de razonamiento químico que son útiles para responder preguntas de central interés para las sociedades modernas

«¿Cómo aprovechamos la energía química?» lleva a los estudiantes a evaluar, entre otras cosas, los costos y beneficios del uso de celdas de combustible alternativas. Al finalizar el curso de química general, se espera que los estudiantes tengan una idea clara de cuándo y cómo aplicar el pensamiento químico en contextos variados.

Los resultados

Nuestro trabajo en el desarrollo del currículo de química general alternativo, Pensamiento químico, se inició en el año 2007 con implementaciones parciales en el año 2008. El currículo completo se ha venido implementando en una o dos secciones piloto de química general en la Universidad de Arizona desde el año 2009. Esto nos ha permitido hacer modificaciones y ajustes con base tanto en el resultado de evaluaciones comparativas de conocimientos y actitudes de los estudiantes como en las experiencias de trabajo en el aula. Las evaluaciones han incluido el uso de exámenes estandarizados desarrollados por la Sociedad Americana de Química, así como cuestionarios conceptuales y encuestas de actitudes, estos dos últimos generados con base en resultados de investigaciones educativas en química (Dalgety, Coll y Jones, 2003; Mulford y Robinson, 2002).

El examen estandarizado de la Sociedad Americana de Química está diseñado para evaluar la habilidad de los estudiantes para resolver problemas tradicionales de la química escolar, tales como cálculos estequiométricos, termoquímicos y de equilibrio. En este sentido, esta evaluación está alineada con los objetivos del curso regular de química general a nivel universitario. El análisis comparativo de los resultados de este examen correspondientes a

Nuestro trabajo en el desarrollo del currículo de química general alternativo, Pensamiento químico, se inició en el año 2007 con implementaciones parciales en el año 2008. El currículo completo se ha venido implementando en una o dos secciones piloto de química general en la Universidad de Arizona desde el año 2009

estudiantes que cursaron el curso regular de química general en nuestra institución (promedio de 60,8/100) y a aquellos inscritos en el curso piloto (promedio de 60,6/100) no revela diferencias significativas. Este resultado es positivo, pues indica que, a pesar de la considerable reducción en el énfasis en la resolución de problemas algorítmicos convencionales durante el curso Pensamiento químico, los estudiantes que lo completan son capaces de responder al mismo nivel que sus compañeros en cursos tradicionales. Estos datos sugieren que es posible cambiar el énfasis de los cursos de química sin detrimento en el desarrollo del tipo de habilidades de resolución de problemas enfatizadas en cursos tradicionales.

El cuestionario de química conceptual utilizado en nuestro estudio fue diseñado para evaluar la capacidad de los estudiantes para analizar sistemas y situaciones que comúnmente disparan concepciones alternativas (Kind, 2004). En este caso, el análisis estadístico de los resultados usando la prueba t de Student revela un promedio significativamente más alto (p < 0,01) para

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Desarrollando pensamiento químico en contextos sociales y ambientales

Monografia / Aprenentatge de conceptes

aquellos estudiantes que siguieron el curso Pensamiento químico (55,3/100) comparado con el obtenido por estudiantes en cursos tradicionales (44,3/100). Aunque los estudiantes provenientes del curso piloto aún exhiben concepciones alternativas sobre varios conceptos químicos, su comprensión de ideas centrales de la disciplina parece mejorar de manera significativa.

Las actitudes de los estudiantes hacia la química (y hacia el curso de química) se evaluaron haciendo uso de una encuesta tipo Likert en la que se solicitaba indicar el nivel de acuerdo o desacuerdo con respecto a una serie de afirmaciones. Un resumen de los resultados de esta encuesta se presenta en la tabla 2, donde se incluye el porcentaje de estudiantes del curso Pensamiento químico (PQ) y del curso regular (R) que está «Muy de acuerdo» o «De acuerdo» con cada una de las afirmaciones que se listan. La comparación estadística de los resultados haciendo uso de la

prueba χ2 señala que el curso piloto tuvo un impacto positivo significativo en las actitudes de los estudiantes en todas las áreas evaluadas.

Como parte de nuestra evaluación, también hemos obtenido información sobre las calificaciones obtenidas por los estudiantes inscritos en Pensamiento químico en cursos subsecuentes, tales como química orgánica y fisicoquímica. Resultados preliminares sugieren que estos estudiantes tienen una mayor probabilidad de obtener promedios superiores a 8 (en una escala de 0 a 10) en estos cursos avanzados que alumnos provenientes del curso regular de química general. Esta diferencia es particularmente significativa en las calificaciones de los estudiantes que completan el primer curso de química orgánica en el segundo año de sus estudios de ciencias o ingenierías.

Comentarios finales

La enseñanza de la química en cursos introductorios a nivel preuniversitario y universitario es

Las actitudes de los estudiantes hacia la química (y hacia el curso de química) se evaluaron haciendo uso de una encuesta tipo Likert en la que se solicitaba indicar el nivel de acuerdo o desacuerdo con respecto a una serie de afirmaciones

bastante monolítica (Talanquer, 2013). Los libros de texto dominantes presentan la química como una secuencia de temas parcialmente desconectados entre sí y con poca relevancia aparente en la búsqueda de soluciones a preocupaciones centrales de las sociedades modernas. Los currículos alternativos que usan contextos relevantes para organizar los contenidos representan un gran avance en la búsqueda de opciones educativas que involucren a los estudiantes en experiencias de aprendizaje más auténticas. Sin embargo, muchos docentes miran estas

Tabla 2. Resultados de la encuesta sobre actitudes hacia la química y hacia al curso de química correspondientes a estudiantes inscritos en cursos regulares (R) y en el curso piloto (PQ)

opciones con suspicacia, pues juzgan que tienden a disminuir el rigor en el aprendizaje de la disciplina. La propuesta de enseñanza de la química centrada en la idea de desarrollar el pensamiento químico se presenta entonces como una alternativa que busca reconciliar los objetivos de formación científica con las metas de una educación más social y ambientalmente responsable de futuros ciudadanos y profesionales.

La propuesta central consiste en disminuir el énfasis en la enseñanza de la química como un conjunto de conocimientos y habilidades que permiten explicar el comportamiento de la materia para, en su lugar, explorar la disciplina como un conjunto integrado de formas de razonamiento y experimentación que nos permiten resolver preguntas y problemas de gran importancia para la supervivencia de las sociedades humanas y de nuestro planeta. Más allá de aprender la diferencia entre enlace iónico o covalente, o de reconocer diferentes tipos de gases invernadero y su efecto en las temperaturas de nuestro planeta, nuestras metas educativas debían dirigirse a preparar estudiantes que, de manera individual y colectiva, puedan identificar qué tipos de preguntas relevantes la química nos ayuda a responder, qué recursos intelectuales y experimentales existen para enfrentar tales retos y cuáles son los beneficios, costos y riesgos de usar productos químicos, ya sean sustancias o procesos, para resolver nuestros problemas. Tal y como indican nuestros resultados, este abordaje educativo no solo mejora la actitud de los estudiantes hacia la química, sino que también tiene un impacto positivo en el aprendizaje de conocimientos y habilidades centrales de la disciplina.

Referencias

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Vicente Talanquer

Es profesor en la Universidad de Arizona, además de autor o coautor de más de diez libros de texto para primaria y secundaria y de más de ochenta artículos arbitrados de investigación en educación química y pensamiento docente. Su trabajo de investigación se centra en el estudio de las formas de razonamiento de los estudiantes y profesores de química. C. e.: vicente@u.arizona.edu.

Desarrollando

Actualización del currículum en educación química: la importancia de la luz solar en nuestra vida

Actualització del currículum en educació química: la importància de la llum solar a la nostra vida

Modernizing the chemistry education curriculum: the relevance of the sunlight in our life

Julia Pérez-Prieto / Universitat de València. Departamento de Química Orgánica.

Instituto de Ciencia Molecular (ICMol)

resumen

Los procesos inducidos por la luz solar son vitales para los seres vivos. La naturaleza nos demuestra que los procesos térmicos y fotoquímicos se complementan para dar lugar a moléculas valiosas para los seres vivos. Además, existe una gran variedad de aplicaciones tecnológicas basadas en la capacidad de algunos materiales para absorber la luz. La luz solar es, sin lugar a dudas, el reactivo químico más «verde». Sin embargo, hay que tener en cuenta que la sobreexposición solar puede provocar efectos adversos en organismos y materiales.

palabras

clave

Isomería electrónica, fotoredox, fotosensibilización, fotocatálisis, quimioluminiscencia.

resum

Els processos induïts per la llum solar són vitals per als éssers vius. La naturalesa ens demostra que els processos tèrmics i fotoquímics es complementen per donar lloc a molècules valuoses per als éssers vius. A més, hi ha una gran varietat d’aplicacions tecnològiques basades en la capacitat d’alguns materials per absorbir la llum. La llum solar és, sense cap mena de dubte, el reactiu químic més «verd». Però també cal tenir en compte que la sobreexposició solar pot provocar efectes adversos en organismes i materials.

paraules clau

Isomeria electrònica, fotoredox, fotosensibilització, fotocatàlisi, quimioluminescència.

abstract

Sunlight induced processes are essential for living organisms. Nature shows that thermal and photochemical processes are combined to provide vital molecules in living beings. Furthermore, there are a variety of technological applications based on the capacity of some materials to absorb light. Sunlight is, without doubt, the «greenest» chemical reagent. But we must also bear in mind that sun exposure can cause adverse effects in organisms and materials.

keywords

Electronic isomerism, photoredox, photosensitization, photocatalysis, chemiluminescence.

La importancia de la luz en nuestra vida diaria

Los procesos inducidos por la luz solar forman parte de nuestra

vida diaria. Estos procesos (fotoprocesos) intervienen desde el mismo momento en el que abrimos nuestros ojos y, en

presencia de la luz solar (fig. 1), somos capaces de ver lo que nos rodea. La luz absorbida a través de nuestra piel juega también un

papel crucial. Así, la luz UV induce la formación de vitamina D, la cual es esencial para la absorción del calcio a través de la dieta y, como consecuencia, para que nuestro esqueleto se encuentre adecuadamente mineralizado. Además, la vitamina D se considera que está involucrada en la producción de sustancias químicas estimulantes en nuestro cerebro, tales como la serotonina y la dopamina.

También la naturaleza viva que nos rodea necesita la luz y nosotros a ella. Las plantas son reactores que nos proporcionan oxígeno y captan el CO2 para transformarlo en hidratos de carbono (fijación del carbono, proceso endotérmico) (fig. 2). La fotosíntesis aporta la energía y los electrones para llevar a cabo la fijación del carbono (proceso de reducción del dióxido de carbono a carbohidratos de carbono). Por

2. Esquema del proceso de fotosíntesis: la luz solar se transforma en energía química, el agua se oxida a O2 y el CO2 se transforma en hidratos de carbono. Esquema adaptado de Galian y Pérez-Prieto (2010).

lo tanto, este fenómeno, denominado fotosíntesis, consiste en dos procesos diferenciados: el primero (fase lumínica) se inicia con la oxidación del agua tras la absorción de luz solar por parte de las clorofilas, seguido de un proceso térmico (fase oscura) en el que el CO2 se transforma en hidratos de carbono.

La naturaleza nos proporciona así un ejemplo de simbiosis entre los procesos térmicos y los fotoquímicos, y este es solo un ejemplo. También la formación de vitamina D (fig. 3) es un ejemplo de cooperación: la luz solar (específicamente, la luz UVB) es absorbida por el 7-deshidrocolesterol (provitamina D) que se encuentra en la piel, dando lugar a la previtamina D (proceso fotoquímico), la cual es termodinámicamente inestable. La previtamina D se transforma en vitamina D (un isómero geométrico) a través de un proceso térmico. Es interesante el papel que juega la membrana en la producción de vitamina D en animales de sangre fría como las iguanas (Holick, Tian y Allen, 1995).

En el contexto de problemas medioambientales, se utiliza la luz solar combinada con un catalizador capaz de absorberla (fotocatálisis) para la eliminación de contaminantes orgánicos no biodegradables de aguas industriales y urbanas.

Además, existe y está aumentando de forma vertiginosa la producción de materiales funcionales con aplicaciones tecnológicas basadas en la utilización de la luz. Las celdas solares, la producción de hidrógeno a partir del agua, los edificios autolimpiables, los sistemas de iluminación led (del inglés LED, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’), la obtención de imágenes in vitro o in vivo de las biomoléculas, el tratamiento del cáncer, etc., están entre un sinfín de aplicaciones de dichos materiales. Cabe destacar que la

Figura 1. Los componentes de la luz solar y el espectro de la luz visible.

Figura

Transformación de la provitamina D en previtamina D en un proceso inducido por la luz y la isomerización térmica de la previtamina D en vitamina D. La previtamina D es un isómero geométrico de la vitamina D, mientras que la provitamina D es un isómero de función de la previtamina D y la vitamina D.

radiación solar es una fuente increíble de energía para nuestro planeta cuya producción anual supera las reservas de otras fuentes de energía, tales como el petróleo, el carbón, el uranio o el gas.

Pero también hay que tener en cuenta que la sobreexposición a la luz solar puede provocar efectos adversos sobre los organismos vivos. El espectro de la luz solar (fig. 1) que llega a la superficie terrestre después de atravesar la capa protectora de ozono presenta, principalmente, radiación UVA (320-ca. 380 nm) y visible (ca. 380-700 nm). La capa de ozono filtra la mayor parte de la radiación UVB (280-320 nm), la cual provoca transformaciones en la

estructura de nuestro ADN. Nuestro organismo es sabio y tiene capacidad para realizar una reparación eficaz, siempre que ese daño no sea excesivo. El daño fotoinducido puede agravarse por los cambios climáticos y la pérdida de ozono, los cuales hacen posible que llegue a la superficie terrestre más radiación ultravioleta y, por lo tanto, incrementan el impacto negativo de la misma. Pero hay un efecto añadido a tener en cuenta: aunque la mayor parte de las biomoléculas en nuestro organismo (endógenas) no absorben la radiación visible y UVA, la ingesta de alimentos, fármacos, etc., puede ser la entrada a nuestro organismo de moléculas (exógenas) que sí

absorben dicha luz y pueden producir especies reactivas que causen un daño directo a nuestras biomoléculas. Además, hay que tener en cuenta que, aunque nuestras moléculas no puedan absorber parte de la luz solar que llega a la superficie terrestre, moléculas exógenas, tras la absorción de la luz, pueden transferir su energía a nuestras biomoléculas, transformándolas en especies reactivas (isómeros electrónicos) que no se podrían generar por la absorción directa de la luz. Otros organismos vivos sufren también los efectos adversos de la sobreexposición a la luz solar. Además, los alimentos y los fármacos, así como materiales de interés en nuestra vida diaria, tales como el papel, los plásticos, los cosméticos, etc., pueden deteriorarse por la acción de la luz solar (Bonini et al., 2008). Los organismos vivos presentan mecanismos de defensa frente al daño fotoinducido, pero la mejor defensa contra la sobreexposición es la prevención. En el caso de los materiales, los protectores naturales y sintéticos permiten su pervivencia. En la protección frente a los efectos adversos de la sobreexposición a la luz solar, es vital la cooperación entre la fotoquímica y la química térmica (fig. 4). Encontramos un ejemplo en los polímeros. Podemos clasificar los protectores en: 1. Antioxidantes, los cuales evitan la fotooxidación (oxidación, ruptura de sus cadenas y reacciones de entrecruzamiento entre las cadenas) de los polímeros (Guedri et al., 2005). Estos compuestos reaccionan con especies reactivas, tales como los hidroperóxidos o radicales libres que se han generado tras el proceso fotoquímico, evitando así sus efectos adversos sobre el polímero. Entre los antioxidantes, se encuentran compuestos organosulfuros y aminas estéricamente impedidas

Figura 3.

Figura 4. Los organismos vivos y diferentes materiales se pueden degradar por la acción de la luz solar.

(por ejemplo, derivados de la 2,2,6,6-tetrametilpiperidina) (Damiani, Castagna y Greci, 2002).

2. Filtros solares, los cuales absorben la luz y la disipan en forma de calor. Entre ellos, se encuentran compuestos orgánicos, tales como benzofenonas, estabilizador del PVC (Cappoci y Hubbard, 2005) y benzotriazoles para los policarbonatos, así como materiales inorgánicos, como el óxido de titanio.

Actualización del currículum en educación química

Investigadores en el área de la fotoquímica, esto es, la química del estado excitado, han realizado un gran esfuerzo no solo para comprender los procesos que experimentan las moléculas tras la absorción de la luz, sino también para establecer modelos que permitan racionalizar fácilmente dichos procesos. Así, se han planteado la siguiente pregunta: ¿cuánta teoría se necesita para enseñar fotoquímica?, llegando a la conclusión que esta disciplina se puede introducir desde los estudios secundarios, utilizando ejemplos/experimentos de procesos activados por la luz que el alumnado percibe de forma cotidiana, al igual que se enseña su disciplina complementaria «La química en el estado fundamental». Los fundamentos se irían introduciendo gradualmente durante las diferentes etapas (estudios secundarios, enseñanza universitaria de grado y máster), mano a mano con su área complementaria, ajustando la transferencia de los fundamentos y la inclusión de ejemplos/ experimentos al nivel del estudiante al que va dirigido. Los experimentos deben atraer la atención del alumnado, ser sencillos, seguros y con un coste bajo.

Existen ejemplos destacados de profesores, entre los que

podemos mencionar a Michael W. Tausch (Bergische Universität de Wuppertal), que dedican su energía a demostrar que ya es el momento de incluir estos conocimientos en el currículum de química. Su objetivo es que esta generación y las futuras puedan conocer y comprender los fundamentos de los fenómenos que forman parte intrínseca de su propia existencia, así como de la de nuevos materiales o dispositivos en los que la absorción de luz juega un papel clave.

¿Cuánta teoría se necesita para enseñar fotoquímica?

Turro (1978), hace más de treinta años, puntualizó que se necesita un concepto muy simple para introducir los fundamentos de la fotoquímica: la isomería electrónica. Mientras que «las reacciones térmicas tienen lugar desde el estado fundamental, los procesos fotoquímicos tienen lugar desde el estado excitado, y una molécula en su estado fundamental y su estado excitado son isómeros electrónicos».

C–C; además, en el enlace C–O existe una mayor densidad electrónica localizada hacia el oxígeno, creándose así un dipolo Cd+–Od–. Todos estos factores determinan su reactividad.

El grupo carbonilo puede absorber luz solar y generar así un isómero electrónico, esto es, una estructura con diferente geometría espacial, distribución de densidad de carga y distancia de enlaces. Así, la geometría del grupo carbonilo pasa a ser tridimensional y la distancia entre los átomos es diferente a la de su estado fundamental. Además, la distribución electrónica entre C y O es más homogénea y el carbono y el oxígeno presentan un electrón no apareado. Por lo tanto, el estado excitado del carbonilo es un isómero de su estado fundamental, ya que tienen los mismos átomos y su posición relativa es también la misma. El isómero del estado excitado posee una mayor energía y diferente reactividad a la del estado fundamental, por lo que su vida es muchísimo más

Por ejemplo: ¿qué diferencia o analogía existe entre el estado fundamental del grupo funcional carbonilo y uno de sus estados excitados? (fig. 5). En el estado fundamental, sus tres átomos de carbono y el oxígeno se encuentran en un mismo plano y la distancia C–O es inferior a la del

corta. Este isómero puede transformarse de nuevo en su isómero del estado fundamental devolviendo la energía absorbida mediante procesos fotofísicos (emisión de luz, calor) o transformarse en una nueva molécula (procesos fotoquímicos).

Actualización

currículum

Figura 5. Isómeros electrónicos del grupo carbonilo: el estado fundamental (A) y el estado excitado de menor energía (B).

Monografia

Todos estos procesos pueden ser resumidos en el diagrama de Jablonski (fig. 6). Este esquema puede ser utilizado como base para explicar los procesos fotofísicos y fotoquímicos que pueden tener lugar cuando una molécula o material absorbe luz.

página web http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/

Así, se podrían iniciar estos estudios con la explicación de la emisión de fluorescencia y fosforescencia. En realidad, los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia son básicos para comprender el

6. Diagrama de Jablonski simplificado indicando los tipos de procesos fotofísicos y fotoquímicos que puede experimentar una molécula que absorbe luz (cromóforo).

Además, Albert Einstein, en 1955, llegó a la conclusión de que, para comprender un concepto, un buen experimento puede ser mucho más valioso que veinte ecuaciones: «A pretty experiment quite often is more precious than twenty equations bred in the thinking retort».

La primera cuestión sería: ¿qué es necesario para realizar un proceso fotofísico/fotoquímico? La molécula o el material tiene que ser capaz de absorber la luz. Es importante discutir sobre el color que presentan los objetos/materiales en presencia de la luz (el color de los objetos cambia cuando los observamos durante el día, a la luz del sol, o por la noche, con la iluminación de la ciudad).

La combinación del modelo de niveles de energía del estado fundamental y el estado excitado, combinado con un experimento sencillo, es un buen punto de partida para explicar los procesos iniciados en una molécula tras la absorción de la luz. Ejemplos de experimentos sencillos se encuentran en la

bacterias luminiscentes (tecnología medioambiental), detección de moléculas individuales, etc.

Es importante también saber que se puede hacer química con la luz y luz con la química.

A continuación, se indican varios conceptos a tener en cuenta sobre la reactividad de las moléculas en estado excitado (la química del estado excitado).

Los procesos redox pueden tener lugar por vía térmica (fig. 7): así, una molécula orgánica o inorgánica en su estado fundamental puede oxidar/reducir a otra al mismo tiempo que ella se reduce/oxida. Los procesos redox pueden ser inducidos por la luz: en general, el estado excitado tiene más capacidad oxidante y reductora que su isómero electrónico en el estado

Figura 7. Proceso redox térmico frente a proceso redox fotoinducido. Las moléculas en su estado excitado son más oxidantes o reductoras que su isómero electrónico en el estado fundamental.

fundamento de muchas metodologías/aplicaciones actuales: los ensayos o inmunoensayos de diagnóstico (medicina), las proteínas fluorescentes verdes (biología), las lámparas para espectroscopia, los documentos infalsificables (seguridad), leds y oleds (del inglés OLED, organic light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz orgánico’) para lámparas y pantallas, tintes luminiscentes para textiles,

fundamental (fig. 7). La luz aporta parte de la energía necesaria para la oxidación de la molécula que absorbe la luz o se suma a la energía que se desprende cuando se reduce la molécula que absorbe la luz; en ambos casos, el proceso se hace más exotérmico con respecto al estado fundamental. La fotosensibilización: el estado excitado de una molécula/sistema puede transferir su energía a

Figura

moléculas/sistemas que no la han absorbido y generar así el estado excitado de las mismas (fig. 8). Este proceso se llama fotosensibilización y se puede explicar de nuevo utilizando el modelo de niveles de energía del dador de energía (D) y del aceptor de la misma (A). Una vez que se genera el estado excitado de la molécula aceptora (A*), los procesos que esta va a experimentar (emisión de fluorescencia, fosforescencia, pérdida de energía en forma de calor, transformación química) dependerán de su naturaleza y del medio de la reacción (por ejemplo, un disolvente), así como de la presencia de otras moléculas.

Figura 8. Fotosensibilización: se alcanza el estado excitado de una molécula A (A*) sin que esta haya absorbido luz. La molécula dadora (D) es capaz de absorber la luz. El estado excitado de la molécula dadora de energía (D*) tiene mayor energía que A*.

La fotocatálisis: el estado excitado de una molécula/sistema puede inducir la transformación de otra molécula/sistema (M); si dicha molécula se recupera intacta al final del proceso inducido, la llamamos fotocatalizador (CL) (fig. 9). Podemos distinguir dos tipos de fotocatálisis: a) transferencia de energía del fotocatalizador en su estado excitado (CL*) a moléculas/ sistemas (M) que no la han absorbido (fotosensibilización), induciendo así su transformación, y b) alternativamente, el estado excitado del fotocatalizador provoca la oxidación/reducción de

una molécula/sistema. El fotocatalizador induce una transformación en otra molécula, recuperándose al final del proceso al igual que un catalizador térmico (CT), pero necesita absorber luz para generar su isómero electrónico reactivo, el cual es capaz de transferir energía a la molécula aceptora o participar en un proceso redox.

b) Moléculas isómeras del estado fundamental, las cuales son termodinámicamente menos estables, por lo que térmicamente evolucionan hasta su estado fundamental. Un ejemplo es el de la formación de la previtamina D a partir de provitamina D (proceso fotoquímico) y su transformación posterior a vitamina D (proceso térmico).

Figura 9. a) Esquema de reacción catalítica térmica; b) adición de metanol a olefinas fotocatalizada por dimetilbenceno; c) reacción de acoplamiento C–C fotocatalizada por una cetona aromática.

De los ejemplos mencionados anteriormente, se deduce que el isómero electrónico del estado excitado de una molécula puede dar lugar a:

a) Intermedios reactivos (radicales, iones radicales, iones), es decir, especies reactivas en su estado fundamental. Estas especies podrían generarse a partir de una reacción térmica; la diferencia está en el camino de reacción.

c) Moléculas isómeras del estado fundamental, las cuales son termodinámicamente menos estables y, por lo tanto, más reactivas. Un ejemplo es el de la transformación del 1-metilciclohexeno en 1-metil,1-metoxiciclohexano.

Además, aunque menos frecuente, todo el proceso de transformación química puede

Actualización

Monografia

tener lugar en el estado excitado (fig. 10), es decir, el isómero electrónico del estado excitado de M (M*) se transforma en su producto en el estado excitado (P*), el cual se desactiva para dar lugar a su isómero del estado fundamental. Es decir, la formación/ruptura de enlaces tiene lugar en el estado excitado.

Para una mayor profundidad en los conceptos fotoquímicos, se recomienda consultar: Turro, Ramamurthy y Scaiano (2009); Klàn y Wirz (2009); Gilbert y Baggott (1991).

Finalmente, cabe resaltar que una reacción en el estado fundamental puede dar lugar a la emisión de luz, un proceso

10. Descripción esquemática de los caminos de reacción para la transformación de una sustancia (M) en un producto (P) en un proceso inducido por la luz.

Figura 11. Ejemplo de reacción de quimioluminiscencia: el luminol reacciona con agua oxigenada para dar lugar a un producto en el estado excitado, el cual emite luz azul.

llamado quimioluminiscencia (fig. 11). Así, el luminol es capaz de producir una emisión azul cuando reacciona con agentes oxidantes, como peróxidos. Un experimento sencillo para generar quimioluminiscencia consiste en mezclar dos disoluciones: una de ellas está compuesta por luminol e hidróxido de sodio; la otra, por ferricianuro potásico (K3[Fe(CN)6]) y peróxido de hidrógeno (H2O2). El luminol y el H2O2 reaccionan y liberan energía luminosa, observándose quimioluminiscencia con un color azulado y brillante. El ferricianuro potásico actúa como catalizador de la reacción. Esta es una reacción ampliamente utilizada en química forense para la detección de restos de sangre: una disolución de H2O2 y de luminol se coloca en la zona donde se sospecha que hay sangre; el contacto de dicha disolución con el hierro que se encuentra en el grupo hemo de la hemoglobina actuará como catalizador de la reacción, de forma que la «zona con sangre» se iluminará de un color azul durante unos 30 s. El fenómeno de la quimioluminiscencia también está presente en algunos seres vivos, como las luciérnagas.

La radiación solar es una fuente increíble de energía para nuestro planeta y su producción anual supera las reservas de otras fuentes de energía. La naturaleza nos demuestra que los procesos térmicos y fotoquímicos se complementan para dar lugar a moléculas vitales para los seres vivos. Además, existe una gran variedad de aplicaciones tecnológicas basadas en la capacidad de algunos materiales para absorber la luz solar. Pero también hay que tener en cuenta que la sobreexposición solar puede provocar efectos adversos en organismos y materiales.

Figura

La radiación solar es una fuente increíble de energía para nuestro planeta y su producción anual supera las reservas de otras fuentes de energía

La fotoquímica estudia los procesos que tienen lugar tras la absorción de luz por parte de las moléculas y materiales, es decir, la química del estado excitado. Al igual que en la química del estado fundamental, los investigadores han ideado modelos que permiten racionalizar fácilmente dichos procesos. Por ello, la química del estado excitado se puede introducir desde los estudios secundarios, utilizando ejemplos/experimentos de procesos activados por la luz que el alumno percibe de forma cotidiana, al igual que se enseña su disciplina complementaria «La química en el estado fundamental». Experimentos sencillos, baratos, seguros, con un objetivo bien definido y adaptados al nivel del estudiante al que van dirigidos son de gran ayuda para motivar al alumno a indagar más sobre los procesos inducidos por la luz.

Por lo tanto, podemos concluir diciendo que es importante incorporar el estudio de los procesos inducidos por la luz a la enseñanza de la química, desde los estudios secundarios hasta los más avanzados. Los fundamentos se pueden ir introduciendo teniendo en cuenta el nivel del alumnado y con el apoyo de experimentos sencillos. Es esencial que el estudiante vea la sinergia que existe entre los procesos térmicos y los fotoquímicos. También ha de entender que la sobreexposición solar puede provocar efectos adversos en organismos y materiales. El daño fotoinducido puede agravar-

se por los cambios climáticos y la pérdida de ozono. El objetivo es que esta generación y las futuras puedan comprender los procesos esenciales para su vida, así como aquellos que permiten mejorarla, siendo relevantes los relacionados con la conservación del medio ambiente.

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Julia Pérez-Prieto

Es catedrática de química

orgánica y directora del Grupo de Reactividad Fotoquímica en el ICMol/UV. Su investigación se centra en el diseño y la síntesis de nuevos materialesfotoactivos de aplicación, como sensores, fotocatalizadores, bioimagen, etc. Es la coordinadora en la Universidad de Valencia del máster y doctorado en Química

Sostenible y editora asociada de la revista EPA Newsletter

C. e.: julia.perez@uv.es

Actualización

Monografia

Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste

Química i educació per a la sostenibilitat: fonaments i propostes curriculars per a Timor Oriental

Chemistry and education for sustainability: foundations and curricular proposals for East-Timor

Isabel P. Martins / Universidade de Aveiro. Centro de Investigação Didática e Tecnologia na Formação de Formadores (Portugal)

M.ª Arminda Pedrosa / Universidade de Coimbra. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Departamento de Química. Unidade I&D 70/94/FCT, Química-Física Molecular/FCT, PEst-OE/QUI/UIOO/700/2011 (Portugal)

António José Ferreira / Escola Secundária de Avelar Brotero (Coimbra, Portugal)

M.ª Otilde Simões / Professora aposentada do Ensino Secundário (Portugal)

resumo

Apresentam-se e discutem-se orientações seguidas no desenho do currículo do Ensino Secundário Geral (10.º, 11.º e 12.º anos) de Timor-Leste para a área de Ciências e Tecnologias e explicita-se a sua concretização, na disciplina de química, nos programas, manuais para alunos e guias para professores concebidos, tendo em vista perspetivas de educação para sustentabilidade consonantes com Objetivos de Desenvolvimento do Milénio. Os conteúdos de química são contextualizados em situações reais promovendo competências de resolução de problemas e de trabalho laboratorial.

palavras-chave

Educação para a sustentabilidade, desenvolvimento curricular em química, recursos didáticos, educação em ciências e cidadania.

resum

Es presenten i discuteixen les directrius seguides en el disseny del currículum de l’educació secundària general (10è, 11è i 12è anys) de Timor Oriental per a l’àrea de ciència i tecnologia i s’explica la seva aplicació en la disciplina de química, en programes, manuals per als alumnes i guies per a docents, dissenyats tenint en compte les perspectives de l’educació per a la sostenibilitat d’acord amb els Objectius de Desenvolupament del Mil·lenni. Els continguts químics estan contextualitzats en situacions reals que promouen les habilitats de resolució de problemes i el treball de laboratori.

paraules clau

Educació per a la sostenibilitat, desenvolupament curricular en química, recursos didàctics, educació científica i per a la ciutadania.

(Cont.)

abstract

In this paper we present and discuss the guidelines followed in the drawing up of the general secondary school curriculum for Sciences and Technology area in East Timor (10th, 11th and 12th grades). In particular we explain how they were concretized in the chemistry programs, student textbooks and teacher guides, which were conceived under the idea of education for sustainability combined with the Millennium Development Objectives. The chemistry contents are contextualized in real life situations in order to promote problem solving and laboratory work skills.

keywords

Education for sustainability, curricular development in chemistry, didactic resources, science education and citizenship.

Introdução e contextualização

Educação científica, literacia científica e educação para a cidadania são conceitos profundamente interligados, quer em ambientes académicos, quer em contextos políticos. Praticamente todos os governos reiteram o papel da educação para o desenvolvimento social, económico e cultural e reconhecem que as políticas educativas devem respeitar compromissos internacionais. No entanto, tal não significa que as orientações curriculares em vigor nos vários países considerem essas posições. Pelo contrário, no que respeita à educação em ciências, proliferam visões distintas por serem distintas as formas como se pensa alcançar uma educação científica de qualidade.

Dada a necessidade de consciencialização de todos, e desde cedo, para a diversidade de problemas de escala planetária e, por conseguinte, para a sua compreensão, a importância da educação científica se orientar para a educação para a cidadania tem sido salientada (por exemplo, Martins, 2011). Ora, a educação para a cidadania não pode ignorar a educação para o desenvolvimento sustentável (EDS), internacionalizada pela proclamação, em dezembro de 2002, pela Assembleia-Geral das Nações Unidas, da Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável

(DEDS) (2005-2014). As agendas políticas de educação em muitos países têm procurado contribuir para EDS.

Projetam-se e realizam-se diversas ações que visam definir medidas pós-DEDS à escala mundial. Também na Cimeira da Terra Rio+20 se concluiu ser necessário definir os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) que orientarão a Agenda para o Desenvolvimento Pós-2015, na sequência dos Objetivos de Desenvolvimento do Milénio (ODM) assumidos em 2000.

A Resolução 66/288 da Assembleia-Geral das Nações Unidas, aprovada em 11 de setembro de 2012, apela para que, de forma integrada e urgente, se estabeleça um processo intergovernamental inclusivo e transparente sobre os ODS. As Nações Unidas nomearam um Painel de Alto Nível para elaborar o documento Pós-2015, o qual apresentou em 30 de maio de 2013, uma proposta de doze metas/ODS, desdobradas em sessenta e seis objetivos ilustrativos. O documento omite problemas relevantes como o controlo demográfico, a urbanização desordenada e a diminuição da diversidade cultural. Estranha-se a omissão, tanto mais que a Resolução 66/288 da AssembleiaGeral reconhece estes três problemas, tal como assinalam Vilches et al. (2013). Destaca-se o notável trabalho desenvolvido por

estes autores, ouvidos cinquenta e nove educadores ibero-americanos, o qual constitui uma base séria para construir coletivamente os ODS.

O trabalho que aqui se apresenta está em sintonia profunda com os objetivos da DEDS e os ODM, conforme posições reiteradas em diversos trabalhos publicados anteriormente pelos seus autores, alguns em co-autoria (Capelo, Santos e Pedrosa, 2012a; Capelo, Santos e Pedrosa, 2012b; Capelo, Pedrosa e Albergaria Almeida, 2013; Pedrosa, Ferreira e Simões, 2012).

Neste texto descreve-se e fundamenta-se a proposta curricular para a disciplina de química no Ensino Secundário Geral de Timor-Leste, 10.º, 11.º e 12.º anos (ESG-TL), a qual integra o plano de estudos concebido por uma equipa multidisciplinar (coordenada na Universidade de Aveiro, Portugal). O projeto, enquadrado por um protocolo de cooperação entre o Ministério da Educação de Timor-Leste, a Fundação Calouste Gulbenkian e o Instituto Português de Apoio ao Desenvolvimento (o qual o financiou através do Fundo da Língua Portuguesa), foi desenvolvido no período 2010 2013 (http://www.ua.pt/esgtimor/) e contemplou a elaboração do plano curricular, dos programas de cada uma das catorze disciplinas do ESG-TL, de manuais para

Química

alunos e guias para professores, para cada ano de escolaridade, para todas as disciplinas. A implementação do 10.º ano de escolaridade teve lugar nas escolas de Timor-Leste no ano letivo de 2012.

Nas secções seguintes apresentam-se os princípios organizadores seguidos na elaboração do currículo do ESG-TL e, em mais detalhe, a estrutura do programa de química para o ciclo de estudos ilustrado com algumas atividades, retiradas dos manuais dos alunos.

Importância social de química na formação geral e educação para a cidadania

Autores e organizações supranacionais como, por exemplo, a UNESCO e a OCDE são unânimes na defesa do ensino das ciências orientado para a literacia científica dos alunos. A Conferência Mundial sobre a Ciência tornou-se uma referência internacional sobre esta orientação (UNESCO e ICSU, 1999). Ora, o conhecimento químico é uma parte indelével do conhecimento científico atual e terá, necessariamente, de fazer parte do ensino formal da escolaridade básica para todos e do Ensino Secundário para os que escolherem percursos de formação em ciências. Embora esta consciência sobre a química escolar exista na sociedade, persistem várias perspetivas sobre orientações a seguir, bem como formas de captar o interesse dos alunos para aprender química. O tipo de currículos e programas, de estratégias de ensino e de recursos didáticos serão sempre de importância fundamental (Rocard et al., 2007). Mais, quaisquer que sejam os contextos sociais, económicos e culturais em que os alunos se insiram é importante aperceberem-se que «os químicos procu-

ram compreender qual é a relação entre a estrutura e as propriedades físicas, químicas e biológicas das substâncias, sejam elas naturais ou sintéticas, com vista a poderem inventar novas substâncias para fins específicos, para o que será também necessário desenvolver processos de síntese laboratorial e de produção industrial» (Martins et al., 2004). O conhecimento em ciências/química permitirá desenvolver competências necessárias para detetar problemas, analisá-los criticamente, compreender o sentido das mensagens emitidas pelos meios de comunicação e saber prestar atenção às injustiças sociais geradas por desigualdades e problemas de dimensão planetária (Gil-Pérez et al., 2000). Embora os meios tecnológicos possibilitem o acesso instantâneo à informação, esta não é sinónimo de conhecimento, devendo a escola promover competências necessárias para a sua descodificação e interpretação.

A educação em ciências/química, numa perspectiva cultural, será sempre indispensável para reforçar o papel social, argumentativo e reivindicativo das populações, incrementando indicadores de desenvolvimento humano e sócioeconómico de cada país.

Orientações axiológicas e metodológicas para o programa de química do ESG-TL

A organização do programa de química para o ESG-TL orienta-se segundo perspetivas de EDS, o que requer que os professores compreendam o seu alcance e detenham competências específicas para planear, desenvolver e refletir sobre o seu ensino e sobre as aprendizagens desejáveis dos alunos.

A perspetiva seguida na construção do programa e respeti-

vos recursos didáticos para alunos (manual do aluno) e para professores (guia do professor) assenta no princípio de que todos os cidadãos têm direito a qualidade de vida, para o que será necessário ter em conta e equilibrar posições relativas a três pilares: desenvolvimento económico, desenvolvimento social e proteção ambiental (Ferreira, Pedrosa e Simões, 2012b, p. 8).

Na fig. 1 explicita-se a articulação entre ODM e a perspetiva preconizada para o ensino formal de ciências, onde a química se insere.

O projeto de reestruturação curricular do ESG-TL, destinado a alunos de 16-18 anos, seguiu princípios organizadores próprios deste ciclo de estudos, já explanados em trabalhos anteriores de Martins e Ferreira (2013) e Martins (2013).

O projeto desenvolveu-se entre 2010 e 2013 e teve em conta osODM, os quais foram centrais na definição da filosofia do plano curricular e foram, por isso, transversais aos programas de todas as disciplinas. Tiveram-se também presentes orientações de outros fora internacionais relevantes, tais como a Década das Nações Unidas para a Literacia, Educação e Alfabetização (20032012) e a DEDS. Como então dizíamos (Martins e Ferreira, 2013), a DEDS tem como objetivo «integrar os valores inerentes ao desenvolvimento sustentável em todos os aspetos da aprendizagem com o intuito de fomentar mudanças de comportamento que permitam criar uma sociedade sustentável e mais justa para todos». Esta orientação foi assumida para todas as disciplinas.

Recordam-se aqui os princípios orientadores do currículo construído (Plano curricular do Ensino Secundário Geral, 2011):

1. Mapa concetual EDS: articulação ODM e ensino formal das ciências no ES (Ferreira, Pedrosa e Simões, 2012b, p. 11).

(1) Ter em consideração as finalidades da Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável (DEDS-NU), da Década de Literacia (DL-NU) e dos Objetivos de Desenvolvimento do Milénio (ODM-NU); (2) contribuir para melhorar a qualidade de vida, reduzir a pobreza e estimular uma cidadania ativa e democrática, através da valorização do desenvolvimento de competências; (3) reconhecer a importância da relação entre conteúdos disciplinares e metodologias de ensino e de aprendizagem orientados para a educação para o desenvolvimen-

to sustentável (EDS); (4) contribuir para a EDS articulando saberes de ciências naturais, ciências sociais, tecnologias, línguas, cultura e educação ambiental, perspetivando essa articulação num contexto amplo englobando fatores sócio-culturais e questões sócio-políticas como pobreza, equidade, democracia e qualidade de vida; (5) valorizar e promover competências de pensamento crítico e de resolução de problemas que capacitem para a abordagem, com confiança, de temas e problemas segundo perspetivas de desenvolvimento sustentável.

No que respeita à componente de ciências e tecnologia (biologia, física, geologia, química e matemática), destacam-se algumas das finalidades consideradas como forma de concretizar os princípios gerais explicitados no plano curricular:

1. [...].

2. O reconhecimento de condições materiais e humanas necessárias à tentativa de resolver problemas, bem como da importância de mobilizar competências em ciências e tecnologias necessárias a tal desempenho.

Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste

Figura

Monografia

3. A compreensão da multiplicidade de fatores que podem contribuir para o agravamento de problemas atuais, em particular, os que são relacionáveis com a ciência e a tecnologia.

4. A promoção de tomadas de consciência das principais problemáticas atuais, com dimensões científicas e tecnológicas.

5. O desenvolvimento de uma perspetiva de interdisciplinaridade, capaz de articular saberes próprios das disciplinas científico-tecnológicas, e de outras, no âmbito de uma matriz social.

6. [...].

7. A valorização do pensamento crítico e da capacidade de argumentação relativamente a temáticas científico-tecnológicas, visando a promoção de uma literacia e de uma cidadania intervenientes.

É neste quadro de orientações que a disciplina de química se insere, em estreita articulação com as realidades atuais da sociedade timorense em pleno desenvolvimento e dos seus

objetivos para um futuro que se pretende sustentável. O respetivo programa foi concebido de modo a proporcionar aos jovens conhecimentos de química que lhes permitam aceder a formas de percecionar problemas que afetam as sociedades, incluindo a timorense, a nível local, nacional e global.

Organização do programa

Para cada um dos anos foi escolhido um tema geral, dividido em duas unidades temáticas (UT) fortemente vinculadas a EDS, as quais se desdobram em subtemas, estes mais próximos de conteúdos canónicos de química. A perspetiva global é apresentada na fig. 2.

O tema para o 10.º ano, «Sobrevivência e qualidade de vida», pretende proporcionar o desenvolvimento de competências essenciais orientadas por princípios de EDS, articuladas com o preconizado nos ODM 4 e 6. Para isso propõe-se abordar, do ponto de vista químico, assuntos tais como: classificação de materiais e sua rotulagem; obtenção de água potável;

propriedades de elementos químicos, como a toxicidade e essencialidade; velocidade das reações químicas e conservação de alimentos; soluções e sua composição, algumas usadas como medicamentos; produtos de higiene e limpeza e interpretação da sua ação com base em interações intermoleculares.

Na UT «Materiais, resíduos e gestão de riscos», pretende-se que os alunos compreendam a diversidade de materiais, critérios de classificação, formas como são utilizados, armazenados, transportados e eliminados. Na fig. 3, ilustram-se resíduos domésticos que poderão conter elementos químicos tóxicos.

Na UT «Alimentação, higiene e saúde», destaca-se a diversidade de misturas existentes no quotidiano, muitas delas soluções. Nestas identificam-se constituintes, composição qualitativa e quantitativa, e interpretam-se propriedades com base em modelos de estrutura da matéria. O tema do 11.º ano, «Recursos materiais e sustentabilidade ambiental», orienta-se para os ODM 1 e 7, pretendendo que os

Figura 2. Programa de química (Ferreira, Simões, Fonseca e Pedrosa, 2012, p. 9).

pesticidas, ambiente e dieta racional; água na agricultura e utilização racional da água; matérias-primas e produtos de consumo corrente; qualidade da água, do ar e do solo; poluição atmosférica.

Na UT «Matérias-primas, recursos energéticos e consumo», aprofunda-se conhecimento químico sobre aspetos quantitativos relacionados com transformações da matéria e discutem-se consumos mais racionais de alguns produtos (fertilizantes, fármacos, fitossanitários, plásticos, fibras e elastómeros), de matérias-primas e recursos energéticos (petróleo, gás natural e compostos orgânicos). Na fig. 4 apresentam-se dados quantitativos sobre a emissão de dióxido de carbono em alguns processos químicos com impacte ambiental.

Na UT «Qualidade da água, ar e solos», abordam-se aspetos relacionados com a sustentabilidade ambiental, no que respeita à qualidade de sistemas em questão, interpretando processos envolvidos na degradação e recuperação da água, do ar e dos solos, com vista à proteção da biodiversidade e preservação da saúde humana. Na fig. 5 mostram-se procedimentos que devem ser seguidos para evitar poluição no uso de fogões em habitações rústicas.

alunos utilizem conhecimento químico para explicar a diversidade de materiais, naturais e processados, bem como ponderar formas como a humanidade usa

os recursos disponíveis e suas implicações na sustentabilidade ambiental. Realça-se o papel da química em contextos como: produção agrícola, fertilizantes,

O tema do 12.º ano, «Controlo de qualidade, segurança e saúde», visa contribuir para a prossecução dos ODM 1, 4 e 6. Pretende-se que os alunos relacionem conhecimento químico com o de outras disciplinas para compreender situações mais complexas. Usando química analítica como fio condutor para revisitar assuntos relevantes em química (por exemplo, reações em sistemas aquosos, oxidação-redução e estrutura da matéria), abordamse temas relevantes para EDS, como controlo de qualidade, segu-

25 Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste

Figura 3. Resíduos domésticos que poderão conter elementos químicos tóxicos (Ferreira, Pedrosa e Simões, 2012a, p. 89).

Figura 4. Emissão de dióxido de carbono em alguns processos químicos com impacte ambiental (Simões, Ferreira e Pedrosa, 2013a, p. 23).

Monografia

5. Procedimentos que devem ser seguidos para evitar poluição no uso de fogões em habitações rústicas (Simões, Ferreira e Pedrosa, 2013a, p. 169).

rança e, ainda, métodos auxiliares de diagnóstico.

Na UT «Segurança alimentar e qualidade ambiental», estudamse técnicas analíticas básicas usadas em ensaios laboratoriais e em testes rápidos, com aplicações na despistagem de situações de poluição ambiental e de segurança e qualidade ambiental. Na fig. 6 apresentam-se alguns testes rápidos que são usados na deteção de adulterações em alimentos.

Na UT «Meios de diagnóstico e investigação forense», abordam-se interações matéria-radiação, química nuclear, que são utilizadas na obtenção de imagens do corpo humano e em diagnóstico clínico. Os alunos aprofundam ainda técnicas de separação analítica utilizadas em investigação forense. Na fig. 7 sistematizam-se fundamentos e aplicações de métodos fotométricos em análises clínicas.

Considerações finais

O programa de química para o ESG-TL foi concebido numa perspetiva de cultura científica dos alunos e representa uma abordagem externalista da ciência, partindo de problemas e situações reais de modo a dar significado aos conceitos a explorar. Permite ainda expressar princípios e valores sobre o próprio conhecimento científico, conferindo-lhe, portanto, um enquadramento social. Note-se, no entanto, que esta orientação não dispensa ou minimiza uma abordagem de conceitos centrais em química próprios do nível secundário, base para prosseguimento de estudos superiores também em Química. Numa listagem simplificada de tais conceitos podemos incluir: classificação de materiais segundo vários critérios; tabela periódica de elementos químicos; estrutura atómica e estrutura

eletrónica; técnicas de separação e purificação e suas aplicações; reações químicas; velocidade de reações químicas; composição e caraterísticas de soluções; estrutura da matéria; ligações químicas intramoleculares e intermoleculares; quantidade de matéria e cálculos estequiométricos; estequiometria em reações químicas; famílias de compostos orgânicos; fármacos, fitossanitários e materiais poliméricos; reações de oxidação-redução; equilíbrio químico; energia de reação; equilíbrios de ácido-base; dissoluções e qualidade da água; efeito de estufa; camada de ozono; chuvas ácidas; poluentes primários e secundários; análise química qualitativa e quantitativa; qualidade das medições; testes de análise química; reações de ácido-base; reações de precipitação; reações de complexação; sondas e sensores; células eletroquímicas; interação maté-

Figura

ria-radiação; espetroscopia atómica; espetroscopia molecular; química nuclear; medicina nuclear; separação analítica como cromatografia e eletroforese.

Também a componente prático-laboratorial proposta no desenho curricular, discutida nos guias para professor, versa trabalhos de natureza muito diversa quanto aos problemas

colocados, técnicas a usar, limitações das soluções alcançadas e é, na nossa perspetiva, uma dimensão indispensável para a formação dos alunos, a qual deverá também ser avaliada.

A orientação dada ao programa preconizando estratégias de ensino coerentes com EDS é uma via para encorajar os alunos a desenvolver pensamento crítico, a clarificar

valores e a relacionar tradição e inovação. No entanto, importa perceber que «pensamento crítico reflexivo em EDS é um processo profundo de análise das causas de não sustentabilidade, o que envolve os sujeitos no reconhecimento de preconceitos e de pressupostos subjacentes aos seus saberes, perspetivas e opiniões» (Ferreira, Pedrosa e Simões, 2012b, p. 11).

27

Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste

Figura 6. Testes rápidos usados na deteção de adulterações em alimentos (Simões, Ferreira e Pedrosa, 2014a, p. 21).

Figura 7. Fundamentos e aplicações de métodos fotométricos em análises clínicas (Simões, Ferreira e Pedrosa, 2014a, p. 128).

Monografia / Currículum, projectes

A ciência e a tecnologia sofreram um desenvolvimento admirável no século xx, o que continua a acontecer no século xxi, e se isso pode ser fonte de mais bem-estar para a humanidade, precisamos de tomar consciência de que as desigualdades à escala planetária nunca foram tão acentuadas

A opção por esta orientação para o ensino e aprendizagem da química, consonante, aliás, com a das outras disciplinas da área das C&T (Martins, 2013), justifica-se por se considerar ser uma via promissora para uma abordagem humanista da ciência, adotando como objeto de estudo para a ciência escolar temas e problemas relevantes do ponto de vista pessoal, social, cultural e científico-tecnológico. «Mais ainda, todas as disciplinas procuram aprofundar a ideia de que a ciência é uma atividade humana, uma forma de pensar e de compreender» (Martins, 2013). No caso da química disciplinar, pretende-se que o conhecimento químico proporcione aos alunos um enriquecimento cognitivo para a compreensão de tais problemas, a par da consciência humanitária que deverão ter sobre a premência da sua resolução, sejam eles locais, nacionais ou globais.

A ciência e a tecnologia sofreram um desenvolvimento admirável no século xx, o que continua a acontecer no século xxi, e se isso pode ser fonte de mais bem-estar para a humanidade, precisamos de tomar consciência de que as desigualdades à escala planetária nunca foram tão

acentuadas. Por isso a relação entre aprendizagens em ciência, ODM e DS deverão ser um objetivo transversal na organização dos sistemas educativos, em todos os países, qualquer que seja o índice de desenvolvimento humano que detêm na classificação internacional. Será sempre obrigação dos países mais desenvolvidos contribuir para o desenvolvimento dos mais desprotegidos. Conceber currículos que se pautem por padrões de rigor é uma obrigação da cooperação para o desenvolvimento, mas é necessário que as propostas sejam contextualizadas para o público destinatário. Daí a necessidade sentida e praticada de cooperação entre equipas de ambos os países, neste caso Portugal e Timor-Leste, para a construção do currículo do ESG-TL e respetivos recursos didáticos.

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Isabel P. Martins

É professora catedrática aposentada da Universidade de Aveiro, membro do Centro de Investigação CIDTFF e presidente eleita da Associação

Ibero-Americana CTS na Educação em Ciência. Licenciada em Química e doutorada em Didática das Ciências. Coordena o projeto de reestruração curricular do ESG de Timor-Leste. E-mail: imartins@ua.pt

M.ª Arminda Pedrosa É investigadora da Unidade I&D 70/94/ FCT, Química-Física Molecular/FCT, PEst-OE/QUI/UIOO/700/2014, Departamento de Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra, onde é professora auxiliar. Doutora em Química-Educação em Química e mestre em Química-Física. Coordenou a equipa de química do projeto de reestruturação curricular do ESG de Timor-Leste e é co-autora dos programas, manuais e guias respetivos. E-mail: apedrosa@ci.uc.pt

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António José Ferreira É professor de física e química do Ensino Secundário em Coimbra. Licenciado em Química e mestre em Ensino da Física e da Química. É co-autor dos programas, manuais e guias para a disciplina de química, do ESG de Timor-Leste, assim como de manuais de química para o Ensino Secundário em Portugal.

E-mail: ajmaferreira@gmail.com

M.ª Otilde Simões É professora aposentada do Ensino Secundário público em Portugal. Licenciada em Química e mestre em Ensino da Física e da Química. É co-autora dos programas, manuais e guias para a disciplina de química, do ESG de Timor-Leste, assim como de programas de química e de manuais para o Ensino Secundário em Portugal.

E-mail: otildesimoes@netcabo.pt

Química e educação para a sustentabilidade: fundamentos e propostas curriculares para Timor-Leste

Monografia

Sostenibilitat i materials: explorant els lligams entre producció d’energia i nous materials

Sustainability and materials: exploring the relationship between energy production and new materials

Fernando

Sapiña Navarro / Universitat de València. Parc Científic. Institut de Ciència dels Materials

resum

Els problemes ambientals tenen l’origen en les activitats que ens porten a satisfer les nostres necessitats d’aliments, energia i materials. I, des d’aquest punt de vista, hem d’evitar la contínua degradació dels ecosistemes i de la seua capacitat per proporcionar-nos béns i serveis que són necessaris per a la nostra supervivència. Un dels reptes més rellevants que tenim en aquests moments és fer una transició des d’un sistema energètic basat en combustibles fòssils a un sistema basat en fonts d’energia renovables. L’aprofitament d’aquestes fonts renovables comporta fer ús de nous materials constituïts per elements que, fins ara, han sigut poc emprats. Aquesta situació provoca, a curt termini, problemes de subministrament que poden afectar la implantació d’aquestes noves tecnologies. Però també comporta problemes a llarg termini relacionats amb l’accessibilitat d’aquests elements.

paraules clau

Canvi climàtic, fonts renovables d’energia, nous materials, elements crítics.

abstract

The environmental problems have its origins in the activities that bring us to satisfy our needs of aliments, energy and materials. And, from this point of view, we have to avoid the continuous degradation of the ecosystems and of its capacity to provide us goods and services that are necessary for our survival. One of our most important challenges in these moments is the promotion of a transition from an energy system based in fossil fuels to a system based in renewable energy sources. The exploitation of these renewable sources needs the use of new materials constituted by elements that, up to now, have been little employed. This situation causes, in the short term, problems of supply that can affect to the implantation of these new technologies. But it also comports long-term problems related with the accessibility of these elements.

keywords

Climatic change, renewable energy sources, new materials, critical elements.

Benvinguts a l’antropocè

Benvinguts a l’antropocè és un curt de tres minuts de durada que repassa els últims dos-cents cinquanta anys de la història de la humanitat, des del començament de la revolució industrial fins a la cimera de Rio+20 (Welcome to the anthropocene, 2012; Crutzen i Stoermer, 2000). En ell es reflecteix de quina manera la humanitat s’ha convertit, en

aquest període, en una força global que ha alterat profundament els principals cicles biogeoquímics de la Terra.

Durant la major part de la història, les nostres activitats van provocar impactes sobre el medi ambient, però, en conjunt, van ser una força insignificant en la dinàmica de la Terra. Fins que, cap a l’any 1750, començàrem a fer un ús més intensiu dels

combustibles fòssils. La població mundial va augmentar gràcies a la disponibilitat de més quantitat d’aliments i als avenços en higiene i salut, i va passar dels mil milions del 1800 als més de set mil milions de l’actualitat (i continua creixent).

La magnitud, l’escala espacial i la velocitat dels canvis induïts per les nostres activitats actualment no tenen precedents en tota

la història. Pel que fa a la magnitud, les nostres activitats igualen o sobrepassen les forces naturals en diversos cicles biogeoquímics. Pel que fa a l’escala espacial, les nostres activitats alteren de forma global tots els components del planeta. I, pel que fa a la velocitat dels canvis, aquests es manifesten a una velocitat molt més gran que els canvis d’origen natural. El problema de la capa d’ozó, l’augment de la concentració de diòxid de carboni a l’atmosfera o l’enorme ritme d’extinció d’espècies són mostres d’aquestes alteracions.

processos tenen uns límits ben definits, caracteritzats per un número. D’aquests set, tres representen processos en els quals el fet de sobrepassar el límit desencadenaria canvis profunds en el funcionament de la Terra. Aquests processos són el canvi climàtic, l’acidificació dels oceans i la disminució de la capa d’ozó. En els altres quatre processos, aquests límits representen el començament d’una degradació irreversible. Parlem de la pèrdua de biodiversitat, de la contaminació per nitrogen i per fòsfor i de la

l’any (el valor límit suggerit és deu vegades inferior). En el cas de la contaminació per nitrogen, som responsables de la fixació de 121 milions de tones l’any (el límit suggerit és tres vegades i mitja inferior). I, en el cas del canvi climàtic, la concentració de diòxid de carboni és de 390 ppm (el límit proposat és de 350 ppm).

Entre tots aquests processos, aquell que ha rebut més atenció és el canvi climàtic. De fet, a l’informe anual sobre riscos globals del Fòrum Econòmic

Figura 1. El canvi global és el conjunt de les transformacions que s’estan produint en el medi ambient a conseqüència de les nostres activitats. El creixement de la població humana (fig. 1a) i el creixement dels recursos necessaris per mantenir a aquesta població es mantenen gràcies a una sèrie d’activitats que transformen les terres, alteren els principals cicles biogeoquímics i afigen o eliminen espècies en molts ecosistemes. Aquests components primaris del canvi global interaccionen entre si i poden provocar, a més, altres alteracions en el funcionament de l’ecosistema global, com és el canvi climàtic, que té l’origen en l’augment de les concentracions dels gasos d’efecte hivernacle a l’atmosfera, com el diòxid de carboni (fig. 1b). Font: Crutzen i Stoermer (2012).

Processos crítics planetaris

Fa uns anys, un equip internacional va estudiar els processos biogeoquímics que podrien alterar l’estat del sistema Terra. Van determinar que hi ha nou processos d’aquest tipus i van tractar d’establir per a cada un d’ells els límits dintre dels quals no hi hauria grans canvis. Dit d’una altra manera, van establir els límits de funcionament sostenible del sistema Terra (Foley, 2010; Rockström et al., 2009b).

En particular, aquest equip va determinar que set d’aquests

disminució del subministrament d’aigua dolça. Finalment, tenim dos processos que encara no han estat estudiats en profunditat: la contaminació per aerosols i la contaminació química global.

La comparació entre els límits determinats i els valors actuals d’aquests paràmetres indiquen que ja s’han sobrepassat en tres processos: pèrdua de biodiversitat, contaminació per nitrogen i canvi climàtic. En el cas de la pèrdua de biodiversitat, la velocitat actual d’extinció és de cent per milió d’espècies

Mundial de l’any 2013, els dos riscos que en un període de deu anys tenen més probabilitat de produir-se i més impacte són l’augment de les emissions de gasos d’efecte hivernacle i la falta d’adaptació al canvi climàtic (Howell, 2013). A més, es percep com a més crítica la falta d’adaptació al canvi climàtic. Per tant, per als experts que participaren a l’enquesta en la qual es basa l’informe, la qüestió ja no és si el clima està o no està canviant: la qüestió és quant canviarà el clima i a quina velocitat.

Figura 2. Les zones verdes representen els límits per a cadascun dels processos crítics planetaris. Les zones vermelles indiquen quina és l’estimació dels valors actuals dels paràmetres associats a cada procés crític. En tres processos, s’han sobrepassat els límits proposats (pèrdua de biodiversitat, canvi climàtic i contaminació per nitrogen). Font: Rockström (2009b).

Solucions tecnocientífiques al canvi climàtic

Una part de les solucions al problema del canvi climàtic són tecnocientífiques: cal reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle i cal explotar les fonts d’energia renovables. L’any 2004 es va publicar a la revista Science un article que es va convertir en referència obligada d’aquest tema (Pacala i Socolow, 2004; Socolow i Pacala, 2006). El que plantejaren els seus autors és un escenari de manteniment de les emissions de gasos d’efecte hivernacle durant els propers cinquanta anys per tal que la concentració de diòxid de carboni a l’atmosfera no arribe a duplicar els nivells preindustrials. I, després, analitzaren distintes tecnologies existents tot determinant el seu potencial per contribuir al manteniment de les emissions de diòxid de carboni en el futur. La conclusió a la qual arribaren és que, amb una acció decidida, tenim marge no sols per estabilitzar les emissions durant els

pròxims cinquanta anys, sinó que podríem, fins i tot, reduir-les...

La dieta tecnològica

El desenvolupament de noves tecnologies energètiques planteja, per la seua part, uns altres problemes relacionats amb la disponibilitat dels elements en els quals estan basades. Pensem que, fa uns cent anys, la dieta tecnològica, la diversitat de materials utilitzats, consistia sobretot en materials naturals, junt amb uns pocs metalls.Durant una gran part de la història de la humanitat, la major part dels materials s’ha emprat tal com la naturalesa els proporcionava: pedra, fusta, argila, palla, etc.Als Estats Units, el primer any en el qual la producció de minerals industrials va ser més gran que la producció de fusta fou el 1927.I el primer any en el qual la producció primària de metalls va ser més gran que la producció de fusta va ser el 1941. Durant el segle xix es va descobrir la major part dels elements que conformen la taula periòdica.

Però molts d’ells no van ser res més que curiositats de laboratori fins que, fa unes dècades, vam començar a emprar-los.Cap al 1900, la dieta tecnològica incloïa una dotzena d’elements.Actualment, emprem materials que contenen elements d’una gran part de la taula periòdica.La nostra dieta tecnològica s’ha fet molt més variada, molt més omnívora en tots els àmbits (Greenfield i Graedel, 2013).

En aquests moments, la preocupació pel canvi climàtic fa que estiguen desenvolupant-se noves formes de generació, emmagatzematge i utilització d’energia, les quals requereixen de nous materials integrats per elements fins ara poc emprats. L’energia fotovoltaica ha estat basada en el silici, però les tecnologies fotovoltaiques avançades fan ús d’elements com el cadmi, el gal·li, el germani i el tel·lur. El liti i el lantà són emprats en bateries d’altes prestacions, essencials per als vehicles elèctrics. Als motors elèctrics i als generadors d’electricitat que empren vehicles híbrids i elèctrics i turbines eòliques, s’hi empren imants molt potents, els quals contenen elements de les terres rares, com neodimi o disprosi (Simmons, 2011).

Elements crítics per al sector energètic

La implementació a gran escala d’aquestes tecnologies té el potencial de canviar el sistema energètic per fer-lo molt poc dependent dels combustibles fòssils. Però, atès que aquestes són tecnologies intensives en l’ús de materials, aquest procés requerirà de grans quantitats d’elements que, a hores d’ara, s’extrauen, es refinen i es comercialitzen en quantitats relativament petites. Per això es va adoptar el terme element crític del sector energètic (ECSE) per refe-

Figura 3. A la primeria del segle xviii, la humanitat explotava, com a fonts d’energia, el sol, el vent, la gravetat, el carbó, la fusta i els músculs d’animals. Les màquines produïdes per capturar aquesta energia i les eines necessàries per construir-les empraven materials que eren accessibles localment, com ara la fusta, el carbó i el ferro. La situació, actualment, és molt diferent. El rang de materials i, per tant, d’elements emprats en la producció d’energia cobreix una bona part del sistema periòdic, des d’elements molt utilitzats, com el coure, que és probablement el més important de l’era elèctrica, fins a elements poc emprats, com el tel·lur, que s’usa en les noves tecnologies fotovoltaiques. Font: Simmons (2011).

rir-nos a un grup d’elements que, actualment, són fonamentals per a les noves tecnologies relacionades amb l’energia, els quals, a hores d’ara, no són produïts en grans quantitats i, per tant, no tenen uns mercats ben establerts i estables (Theenergy critical elements..., 2011).

Hi ha diverses raons per les quals un element es considera un ECSE. D’una banda, tenim elements que són intrínsecament poc abundants o que no s’han concentrat de forma important per processos geoquímics (és el cas del reni i el germani). Hi ha també raons geopolítiques, si parlem d’elements que es produeixen en uns pocs països (és el cas del platí i el pal·ladi, produïts per Sud-àfrica i Rússia). Tenim elements que, a hores d’ara, no s’extrauen de menes pròpies, sinó que són produïts com a subproductes en el procés d’extracció d’altres elements, com és el cas del tel·lur. Finalment, hi ha altres elements que són potencialment tòxics, que s’obtenen en formes que són ambientalment inacceptables o que no són reciclats.

El cas de les terres rares

Les terres rares són un conjunt de quinze elements que comprenen l’itri i catorze dels quinze elements lantànids (tots els isòtops del prometi són radioactius i tenen vides mitjanes curtes, per la qual cosa aquest element no es troba a la natura i no té aplicacions industrials rellevants). Aquests elements tenen un impacte important en la nostra vida diària: en el procés d’obtenció de combustibles a partir del petroli, s’empren catalitzadors que contenen terres rares; els convertidors catalítics per a la reducció de les emissions de gasos contaminants dels cotxes empren terres rares; els xicotets imants emprats en els auriculars i altaveus dels telèfons mòbils i en els discos durs dels ordinadors contenen terres rares.

Aquests elements, a més, desenvolupen un paper important en moltes noves tecnologies energètiques. El lantà es va emprar en bateries de níquelhidrur metàl·lic. Aquestes bateries foren fonamentals per al desenvolupament dels vehicles

híbrids i elèctrics des del final dels anys noranta del segle xx fins que van substituir-se en aquesta aplicació per bateries de liti.

El desenvolupament de nous imants permanents més potents ha estat basat en les propietats magnètiques dels compostos SmCo5 i Nd2Fe14B. I aquests imants han trobat aplicacions en turbines eòliques i en motors elèctrics. En les noves turbines eòliques que empren aquests imants, s’estima que contenen uns 200 quilos de neodimi per MW de capacitat de generació. En el cas dels motors elèctrics, un vehicle híbrid com el Toyota Prius conté 1 quilo de neodimi.

Les terres rares són elements relativament abundants a l’escorça terrestre, malgrat el que dóna a entendre el seu nom. El ceri, per exemple, és tan abundant com el coure. Són constituents d’una varietat d’òxids que s’anomenaren terres rares (terra era el nom antic que es donava als òxids), i aquest és l’origen del nom d’aquest conjunt d’elements. Es troben normalment junts, siga en dipòsits generats per meteorització de pegmatites (unes roques

Sostenibilitat

Monografia

ígnies), siga en alguns tipus d’argiles.

La producció mundial d’aquests elements, l’any 2010, va ser de 133.600 tones. Les reserves estimades (és a dir, els dipòsits que poden ser explotats actualment de forma econòmicament viable) són de 110 milions de tones. Per tant, el temps de vida mitjana de les reserves és de vuit-cents vint-i-tres anys, la qual cosa permet un augment important de la producció abans de tindre problemes derivats d’una relació reserves/producció baixa.

L’any 2010, la Xina va produir el 97 % de totes les terres rares; l’Índia, el 2 %; el Brasil, el 0,4 %, i la resta del món, el 0,26 %. És aquesta posició extremament dominant de la Xina sobre el subministrament el que preocupa els responsables de polítiques de distints països. Aquesta situació és molt recent. La major part de la producció de terres rares fins al final dels anys vuitanta del segle xx es duia a terme als Estats Units en una única explotació: la mina de Mountain Pass (Califòrnia). Però a la Xina van posar-se en marxa moltes xicotetes explotacions, moltes d’elles quasi artesanals, no registrades i no regulades. La pressió dels baixos preus dels productes d’aquestes explotacions, junt amb les fortes inversions requerides per complir amb la legislació ambiental dels Estats Units, va fer que el procés no fóra econòmicament viable, de manera que la mina de Mountain Pass va tancar l’any 2002 (Simmons, 2011; Theenergy critical elements..., 2011; Du i Graedel, 2011; Du i Graedel, 2013; Jacoby i Jiang, 2010).

La Xina va anunciar, el juliol de 2010, una reducció del 40 % en la seua quota d’exportació de terres rares. En unes setmanes, el preu d’exportació del neodimi es va multiplicar per tres i, el novembre de 2011, era set vega-

des el del juny de 2010. Les raons darrere d’aquesta retallada són els esforços del Govern xinès per millorar la situació ambiental, un creixement important de la demanda domèstica i el progressiu desenvolupament de la indústria xinesa de transformació d’aquests elements en productes acabats.

seues característiques és que, en general, no es reciclen, siga perquè s’empren en aplicacions que fan que el reciclatge siga inherentment complicat, siga perquè no hi ha tecnologies de reciclatge, o bé pel seu ús dispers, la qual cosa fa difícil la recollida selectiva de grans quantitats de material.

Figura 4. Possibles elements crítics per al sector energètic. Les terres rares inclouen els elements lantànids (amb les excepcions del prometi, element radioactiu, i de l’holmi, l’erbi i el tuli, que no tenen encara usos en aquest sector), així com l’escandi i l’itri. Els elements del grup del platí inclouen el ruteni, el rodi, el pal·ladi, l’osmi, l’iridi i el platí. Altres elements rellevants són el gal·li, el germani, el seleni, l’indi i el tel·lur, els quals són elements semiconductors amb aplicacions en tecnologies fotovoltaiques. La llista es completa amb el cobalt, l’heli, el liti, el reni i la plata. Font: The energy critical elements... (2011).

La importància del disseny de materials i productes

La indústria i la tecnologia moderna han evolucionat per emprar una paleta cada vegada més variada d’elements. I cal adonar-se que, tant en el cas dels elements molt emprats (Cu, Al, etc.) com en el cas dels elements poc emprats (Ge, Nd, etc.), tractem amb recursos inherentment no renovables. En tots dos casos, un dels reptes de la sostenibilitat està en la gestió dels elements que ja estan en ús, amb la fi de reciclar la seua totalitat una vegada que els productes que els contenen acaben el seu cicle de vida.

En el cas dels elements que s’han incorporat recentment a la paleta tecnològica, una de les

Aquesta darrera situació es planteja també en el cas d’altres elements, com ara l’or: a Sudàfrica s’explota un dipòsit d’aquest element que conté 5 grams d’or per tona de mineral, el qual es troba a més de tres quilòmetres sota terra; a les plaques dels ordinadors, hi ha un dipòsit d’or que conté 200 grams d’or per tona i que ja es troba a la superfície terrestre, però el reciclatge d’aquestes plaques és molt baix.

Amb una perspectiva de limitacions de materials cada vegada més freqüents, sembla necessari que qualsevol equip de desenvolupament de producte considere, a l’etapa del disseny dels mateixos, les expectatives de

Figura 5. Producció mundial d’òxids de terres rares entre els anys 1950 i 2000, en milers de tones (kt). El mineral monazita va ser la principal font d’aquests òxids fins que, l’any 1964, va començar l’explotació de la mina de Mountain Pass (Califòrnia). Des del 1985, la producció xinesa va augmentar de forma espectacular, mentre que va disminuir la dels Estats Units. Font: Du i Graedel (2011).

subministrament i demanda de materials. En particular, una de les empreses que s’ha enfrontat a un problema d’aquest tipus és General Electric, una de les principals companyies productores de turbines per a motors d’avions (Greenfield i Graedel, 2013). Durant la dècada dels anys noranta del segle xx, General Electric Aviation va reconèixer que l’increment de la demanda de

reni per a superaliatges estava creixent, però que el subministrament d’aquest metall no ho feia, de forma que, en pocs anys, s’enfrontaria a un problema greu. Per aquesta raó, va llançar un programa de reducció de l’ús de reni que va centrar-se en quatre estratègies: reversió, recuperació, reciclatge i reducció. Les tres primeres consisteixen a aprofitar materials que contenen reni i que

Figura 6. Elements emprats en un superaliatge modern per a turbines i en el recobriment que actua com a barrera tèrmica. El superaliatge consta de níquel amb cobalt, crom, tàntal, alumini, reni, molibdè, hafni i itri, junt amb quantitats xicotetes de carboni i bor. El recobriment que actua com a barrera tèrmica consta d’una primera capa d’ancoratge (un aliatge de níquel amb platí i alumini) i una altra capa d’un material ceràmic (òxid de zirconi amb itri). Font: Greenfield i Graedel (2013).

es generen en diversos passos del cicle de la vida de les turbines: residus de les operacions de fosa de l’aliatge (reversió), residus generats en el procés de manufactura de les peces (recuperació) o les turbines mateixes quan s’ha acabat la seua vida útil (reciclatge). D’altra banda, l’empresa va dur a terme un extens programa d’investigació que li va permetre desenvolupar un nou superaliatge amb les mateixes propietats que l’original, però emprant molt menys reni (reducció).

Conclusions

L’1 de gener de 2005 va començar la Dècada de l’Educació per al Desenvolupament Sostenible, instituïda per les Nacions Unides. L’objectiu d’aquesta iniciativa és que els futurs ciutadans siguen conscients dels greus problemes ambientals i socials als quals han d’enfrontar-se i que estiguen preparats per prendre decisions fonamentades per abordar-los. Uns anys després, el 2009, es va convocar una cimera a Copenhaguen amb la finalitat de limitar les emissions de gasos d’efecte hivernacle. L’acord va ser insuficient, segons les opinions dels experts, la qual cosa va ressaltar encara més la importància de la iniciativa de les Nacions Unides.

Un aspecte en el qual s’ha de posar una especial atenció a l’hora de parlar de sostenibilitat és el de la complexitat. En aquesta situació d’emergència planetària, els distints problemes ambientals i socials estan interrelacionats. Si no podem amb el canvi climàtic, no podrem amb la seguretat alimentària. Si no podem amb la seguretat alimentària, no podrem amb la seguretat de l’aigua. Si no podem amb la seguretat de l’aigua, no podrem amb la pobresa. Si no podem amb la pobresa, no podrem amb la disparitat i la desigualtat econò-

Sostenibilitat

materials: explorant els lligams entre producció d’energia

Monografia / Actualització

mica. Si no podem amb la disparitat i la desigualtat econòmica, no podrem amb el canvi climàtic... Un objectiu de l’educació per al desenvolupament sostenible és transmetre aquesta complexitat i el fet que abordar un problema ambiental i social requereix també preveure les possibles conseqüències de les accions considerades en altres problemes ambientals i socials.

S’estima que, per al 2030, serà necessari augmentar la producció d’aliments en un 50 % i la demanda d’aigua associada, en un 30-40 %. Però, a més, la demanda d’energia augmentarà un 40 %, la qual cosa provocarà un augment addicional de la demanda d’aigua. S’estima que el 75 % de l’augment de la demanda d’energia fins al 2030 es cobrirà amb combustibles fòssils (sobretot, amb carbó). Aquests números ens indiquen la necessitat de fer canvis radicals en els usos de l’aigua i d’explotar noves fonts d’aliments i d’energia per cobrir aquesta demanda, al mateix temps que limitar els impactes ambientals associats a aquestes noves activitats. En aquest cas, es presenta entre biocombustibles i alimentació: la terra cultivada per obtindre biocombustibles no pot emprar-se per produir aliments.

En aquest article, hem explorat els lligams entre noves fonts d’energia i nous materials. Un dels reptes més rellevants que hi ha en aquests moments és fer una transició des d’un sistema energètic basat en combustibles fòssils a un sistema basat en fonts d’energia renovables. Les noves tecnologies desenvolupades per a l’aprofitament d’aquestes fonts renovables requereixen nous materials, constituïts per elements que, fins ara, han sigut poc emprats. Però l’accés als elements que formen aquests materials plantegen problemes ambientals i de subministrament,

així com problemes a més llarg termini relacionats amb el fet que, a l’igual dels elements més emprats, aquests són recursos no renovables, amb els seus propis problemes ambientals i de sostenibilitat.

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Fernando Sapiña Navarro

És professor del Departament de Química Inorgànica i investigador de l’Institut de Ciència dels Materials de la Universitat de València. A banda de la investigació i la docència, la seua vessant més destacable és la tasca que està fent per apropar la ciència a la societat mitjançant la divulgació científica en temes relacionats amb el medi ambient, els materials o la cuina.

A/e: fernando.sapina@uv.es

Educació química i ciència de la sostenibilitat. Una nova i potent font de motivació per als estudiants

Chemical education and sustainability science. A new and powerful source of pupils’ motivation

Amparo Vilches i Daniel Gil Pérez / Universitat de València

resum

Aquest treball analitza l’origen i la naturalesa d’un procés de canvi científic i cultural gràcies al qual l’estudi de la química i d’altres disciplines pot deixar de ser sols una adquisició de coneixements ja establerts per passar a convertir els estudiants en protagonistes d’una profunda revolució científica i d’una mutació social apassionant i absolutament necessària: la transició a la sostenibilitat.

paraules clau

Educació química, motivació cap a l’estudi de la química, educació ambiental per a la sostenibilitat, ciència de la sostenibilitat, revolució científica.

abstract

This paper analyses the origin and nature of a scientific and cultural change in course that may transform students, beyond simple learners of established knowledge, into protagonists of a deep scientific revolution and an exciting and absolutely necessary social mutation: transition to sustainability.

keywords

Chemical education, motivation towards the study of chemistry, environmental education for sustainability, sustainability science, scientific revolution.

Introducció

Des de fa temps, és bastant freqüent escoltar lamentacions al voltant de la manca d’inquietuds i d’interès de bona part de la joventut actual pel treball i per l’estudi, cosa que es tradueix (s’afirma) en rebuig de l’esforç i en fracàs. Però Bernardo Kliksberg, considerat un pioner mundial de l’ètica per al desenvolupament, afirma que es tracta de falsos mites i que, per contra, la joventut «té un potencial immens, tal com ha mostrat quan es creen condicions propíci-

es. La qüestió és generar-les». I generar aquestes condicions, afegeix, suposa donar-li l’ocasió de «fer coses conjuntament amb metes d’interès col·lectiu» (Kliksberg, 2007).

Les reflexions de Kliksberg, encara que contextualitzades en l’Amèrica Llatina, són aplicables al jovent de tot el món: per treballar de bon grat i participar en la vida pública, els joves (i, en realitat, els ciutadans i les ciutadanes de totes les edats) necessiten metes d’interès col·lectiu clares i rellevants. Això

també val, naturalment, pel que fa a l’estudi.

Doncs bé, en aquest article, intentarem mostrar que ens trobem en un moment històric en el qual l’alumnat i el professorat tenim l’oportunitat (i la necessitat) de vincular els estudis amb «metes d’interès col·lectiu» de la major rellevància. Metes que comporten, ensems, una revolució científica i una profunda mutació social (la transició a la sostenibilitat) que els estudiants i el professorat implicat tindran el privilegi de poder protagonitzar.

En aquest monogràfic d’Educació Química EduQ, dedicat precisament al tema «Química i sostenibilitat», abordarem l’origen i les característiques d’aquest procés de canvi científic i cultural gràcies al qual l’estudi de la química (i d’altres matèries) pot deixar de ser sols una adquisició propedèutica de coneixements ja elaborats per esdevenir una contribució al desenvolupament actual d’una profunda revolució científica i a la realització d’un canvi social absolutament necessari. En lloc de «preparació per a la vida», l’estudi pot esdevenir una «incorporació a la vida», una autèntica aventura del pensament i l’acció a la qual estudiants i professors ja ens podem incorporar, de manera que augmenti notablement l’interès dels estudiants (i dels docents!) per la ciència i, en particular, per l’estudi de la química, contribuint així a fer comprendre la seua importància social (Garritz, 2011) i a aprofundir en les relacions CTSA (ciència, tecnologia, societat, ambient).

L’origen de la revolució científica en marxa

La revolució científica que avui s’està produint té l’origen en

una insostenible i complexa situació problemàtica que mereix la qualificació d’emergència planetària (Bybee, 1991; Vilches i Gil Pérez, 2008). Podem resumir aquesta situació enumerant els principals fets insostenibles detectats per la comunitat científica (Worldwatch Institute, 1984-2013; Diamond, 2006; Duarte, 2006; Sachs, 2008; Vilches i Gil Pérez, 2013b):

—És insostenible l’actual ritme d’utilització de tota mena de recursos essencials, des dels energètics fins als minerals, passant pels bancs de pesca, els boscos i, fins i tot, les reserves d’aigua dolça i de sòl cultivable. Un ritme molt superior al de la seua regeneració, quan són renovables, o al de la seua substitució per d’altres que ho siguen.

—És insostenible el ritme d’abocament de residus contaminants, molt superior a la capacitat del planeta per digerir-los: una contaminació pluriforme i «sense fronteres» enverina sòls, rius, mars i aire, de manera que ja afecta tots els ecosistemes.

—És insostenible, particularment, l’increment de la concentració de gasos d’efecte hivernacle d’origen clarament antròpic

(per damunt de les quatre-centes parts per milió en volum en el cas del diòxid de carboni, per primera vegada en tres milions d’anys), cosa que està provocant una pertorbació del clima ja visible, entre moltes altres conseqüències, en la ràpida disminució de les anomenades neus perpètues i en l’augment de la freqüència i la intensitat dels fenòmens atmosfèrics extrems: huracans, inundacions, sequeres i incendis. El canvi climàtic contribueix així a un procés de degradació generalitzada.

—És insostenible el procés d’urbanització desordenada que potencia els efectes de la contaminació (a causa del transport, la calefacció, l’acumulació de residus, etc.) i l’esgotament de recursos, entre d’altres, amb la destrucció de terrenys agrícoles o amb l’augment dels temps de desplaçament i el consegüent consum de recursos energètics.

—És insostenible el creixement explosiu de la població mundial, més enllà de la capacitat de càrrega del planeta: l’espècie humana acapara ja quasi tanta producció fotosintètica com la totalitat de la resta de les espècies, de manera que la seua petjada ecològica ha superat àmpliament la biocapacitat del planeta.

—És insostenible l’accelerada pèrdua de biodiversitat, que obliga a parlar d’una sexta gran extinció ja en marxa que amenaça amb trencar els equilibris de la biosfera i amb arrossegar en aquest procés destructiu l’espècie humana, causant d’aquesta extinció.

—És insostenible, igualment, la pèrdua de diversitat cultural (en particular, de cultures camperoles mil·lenàries). No hem d’oblidar que la diversitat de cultures és la garantia d’una «pluralitat de respostes» als problemes als quals ha de fer

Figura 1. L’aula com a lloc de treball.

front la humanitat. Tampoc hem d’oblidar que cada cultura no sols és una riquesa per al poble que l’ha creat, sinó també un patrimoni de tota la humanitat (Folch, 1998).

—És insostenible i inacceptable el desequilibri entre una quinta part de la humanitat que consumeix en excés i milers de milions de persones que pateixen fam i condicions de vida insuportables.

—És insostenibleun sistema socioeconòmic que aposta pel creixement econòmic permanent en un planeta finit. Dit amb altres paraules: és insostenible un sistema guiat per la cerca del màxim benefici particular a curt termini, sense atendre les seues conseqüències ambientals i socials, com ara els problemes que acabem d’enumerar i d’altres igualment greus, com són els conflictes provocats per la competitivitat, per l’afany de controlar l’aigua i altres matèries primeres essencials i, tot plegat, per la destructiva anteposició d’interessos particulars a curt termini a la cooperació en benefici de tothom i de les generacions futures.

Se sol replicar a aquestes anàlisis recordant que l’extraordinari creixement econòmic que tingué lloc en una bona part del planeta des de la segona meitat del segle xx va produir importants avenços socials. S’assenyala, per exemple, que l’esperança de vida mitjana al món passà de quaranta-set anys el 1950 a seixantaquatre anys al final del segle xx Una millor dieta alimentària, per exemple, s’aconseguí augmentant la producció agrícola i ramadera, les captures pesqueres, etc. I aquesta i altres millores han demanat maquinària per llaurar, plaguicides, vaixells frigorífics, etc., així com abundosos recursos energètics. Han demanat, doncs,

un enorme creixement econòmic, malgrat quedar lluny de satisfer les necessitats de la majoria de la població.

No obstant això, estudis com els de Meadows et al. (1972) al voltant dels «límits del creixement», realitzats als anys seixanta del segle xx, començaren a mostrar l’estreta vinculació entre els indicadors de creixement econòmic i els de degradació ambiental, amb la qual cosa es qüestionava la possibilitat d’un creixement sense límits. S’estima que, en l’actualitat, la petjada ecològica mitjana de cadascun dels més de set mil milions d’habitants del planeta és de 2,8 ha, cosa que supera àmpliament la superfície ecològicament productiva (inclosos els ecosistemes marítims) o biocapacitat de la Terra, que es veu reduïda a 1,7 ha per habitant. Es pot afirmar, doncs, que l’espècie humana està consumint més recursos dels que el planeta pot regenerar, al mateix temps que està produint més residus dels que pot digerir. Tot això justifica que avui parlem d’un creixement insostenible. No pot estranyar-nos, doncs, que des del final del segle xx s’hagin prodigat justificades crides i preses de posició de la comunitat científica i dels moviments socials al voltant de la necessitat i la urgència de fer front als greus problemes socioambientals que caracteritzen la insostenible situació actual d’emergència planetària.

Figura 2. Per un futur sostenible.

Aquestes crides ja han donat lloc a desenvolupaments científics i tecnològics importants, molts d’ells vinculats al camp de la química, com ara els de la producció ecològica d’aliments, la reducció i el reciclatge de residus, la posada a punt de recursos energètics nets i renovables, etc. (Anastas i Warner, 1998; Amador, 2013). De fet, hi ha una abundosa literatura, en bona part accessible en Internet, amb una munió de contribucions explícitament orientades a l’aconseguiment de la sostenibilitat i relacionades amb distintes àrees científiques: química verda, agricultura sostenible, ecologia industrial, economia baixa en carboni, biotecnologia per a la sostenibilitat, etc. Podem recordar, a tall d’exemple, les paraules del director general de la UNESCO, Kōichirō Matsuura, amb motiu de l’Any Internacional de la Química 2011, referint-se explícitament a la contribució de la química en l’aconseguiment d’una alimentació adient i sostenible:

Sensibilitzar el públic sobre la importància de les ciències químiques és una tasca de gran importància, atesos els reptes que planteja el desenvolupament sostenible. És indubtable que la química acomplirà un paper molt important en l’obtenció de fonts alternatives d’energia i en l’alimentació de la creixent població mundial.

La incorporació a l’ensenyament de la química de l’estudi de l’emergència planetària, les seues causes i les mesures concebudes per al seu tractament pot, sens dubte, augmentar l’interès dels estudiants i dels professors, atesa la rellevància d’aquesta problemàtica, a la qual es vincula la supervivència de l’espècie

humana. Així ho hem constatat en cursos de batxillerat i de formació del professorat (López et al., 2005; Vilches i Gil Pérez, 2011; Vilches i Gil Pérez, 2013a). Però aquest interès pot fer-se encara molt més gran en la mesura que aquest ensenyament es vincula a la gran revolució científica del segle xxi que suposa el sorgiment de la ciència de la sostenibilitat.

Ara bé, per què sorgeix la ciència de la sostenibilitat com a nova àrea de coneixement? Què pot aportar més enllà del que ja fan camps com el de la química verda o tants d’altres, com ara l’enginyeria ecològica, l’educació ambiental per a la sostenibilitat, etc.?

De les ciències per a la sostenibilitat a la ciència de la sostenibilitat

Un primer fet rellevant per explicar el sorgiment de la ciència de la sostenibilitat és que tots els problemes que caracteritzen la situació d’emergència planetària estan estretament vinculats i es potencien mútuament. Aquesta és, per exemple, la conclusió de Diamond (2006), després d’analitzar una dotzena

de problemes que caracteritzen l’actual situació:

Si no resolem qualsevol de la dotzena de problemes, patirem greus perjudicis [...], perquè tots ells s’influeixen mútuament. Si en resolem onze però no el dotzè, encara ens veuríem en dificultats, independentment de quin fos el problema no resolt. Hem de resoldre’ls tots.

Problemes aparentment tan allunyats com les crisis econòmiques, la pèrdua de biodiversitat, el canvi climàtic, la pobresa extrema de milers de milions de persones o la ineficiència energètica, per exemple, es potencien mútuament i no poden ser tractats aïlladament. Aquest és precisament un dels arguments esgrimits per justificar la creació, el 2006, de Sustainability Science, una revista específicament dedicada a aquesta qüestió: «Els problemes als quals la ciència de la sostenibilitat ha de fer front no sols són complexos, sinó que també estan vinculats. Per trobar-hi la solució, cal primera-

ment clarificar les seues relacions» (Komiyama i Takeuchi, 2006). I això no ho estava fent cap de les disciplines existents.

Es féu evident, per tant, la necessitat d’una ciència que abordés globalment, sense oblits ni reduccionismes, el sistema cada vegada més complex constituït per les societats humanes i els sistemes naturals amb els quals interaccionen i dels quals, en definitiva, formen part. Aquest va ser el plantejament de vint-i-tres investigadors procedents de diferents àrees en un article conjunt publicat el 2001 en la revista Science: «Està emergint un nou camp de ciència de la sostenibilitat que cerca comprendre el caràcter fonamental de les interaccions entre natura i societat» (Kates et al., 2001).

S’iniciava així una profunda revolució científicaque integra naturalesa i societat: després de la revolució copernicana, que unificà cel i terra, i després de la teoria de l’evolució, que va establir el pont entre l’espècie humana i la resta dels éssers vius, ara assistim a la integració del desenvolupament social (econòmic, industrial, cultural, etc.) amb els processos de l’anomenat món natural, amb la qual cosa es busca comprendre les interaccions entre natura i societat a fi d’afavorir-les ambdues (Vilches i Gil Pérez, 2013b).

Figura 3. Recerques i debats docents.

Figura 4. Ciència de la sostenibilitat.

Pel que portem dit fins a ací, és obvi que la nova ciència ha de ser profundament interdisciplinària, puix aborda reptes complexos en els quals intervenen problemes molt diversos però estretament vinculats. Això obliga a integrar una pluralitat de coneixements, amb estratègies de recerca sistèmiques i sintetitzadores, per fer possible la superació de simplificacions inadequades i bloquejadores. Aquesta unificació de camps científics fins a ací tractats separadament constitueix una autèntica revolució científica que enderroca barreres, com la que separava les ciències socials i les naturals, per fer possible la comprensió de la interacció humanitat/ambient. S’arriba així a comprendre, per exemple, que l’economia no pot desenvolupar-se autònomament tot ignorant els problemes ambientals i socials estudiats per altres ciències, a la vegada que, paral·lelament, aquests problemes no poden ser resolts si no s’analitza la seua vinculació amb el creixement econòmic. Cal, en definitiva, tenir present aquesta vinculació, si es volen atendre les necessitats de la societat al mateix temps que es preserven els sistemes que donen suport a la vida en el planeta (Komiyama i Takeuchi, 2006).

Però aquesta revolució científica que suposa la ciència de la sostenibilitat és encara més profunda i va més enllà de la unificació de camps: s’ha comprès que, per fer possible la transició a la sostenibilitat, és necessari incorporar a la recerca i presa de decisions gent que treballa fora de l’àmbit acadèmic, perquè els objectius, els coneixements i la intervenció de la ciutadania resulten imprescindibles per definir i dur endavant estratègies viables. Ja no es tracta d’esperar que els moviments ciutadans reaccionin a posteriori

Després de la revolució copernicana, que unificà cel i terra, després de la teoria de l’evolució, que va establir el pont entre l’espècie humana i la resta dels éssers vius, ara assistim a la integració del desenvolupament social (econòmic, industrial, cultural, etc.) amb els processos del denominat món natural

davant dels efectes negatius d’un determinat desenvolupament tecnocientífic, sinó d’implicar-los des del primer moment en les anàlisis i en la presa de decisions. Es tracta, doncs, d’una ciència transdisciplinària que potencia la participació ciutadana, és a dir, que aposta per la integració ciència/societat, de manera que trenca l’aïllament del món acadèmic i multiplica l’efectivitat del treball conjunt.

Cal referir-se, finalment, a una tercera característica fonamental d’aquesta nova ciència

transformadora: les seues estratègies estan concebudes en una perspectiva espacial «glocal» (a la vegada global i local) i en una perspectiva temporal «àmplia» (a curt, mitjà i llarg termini), esforçant-se a anticipar riscos i obstacles i a aprofitar tendències positives (Asher, 2006). Tots els tractaments han de tenir present aquesta visió àmplia per evitar les contradiccions que sovint afecten mesures adoptades per resoldre problemes puntuals en el temps o en l’espai.

Cal destacar que el desenvolupament de la ciència de la sostenibilitat afavoreix les ciències de les quals es nodreix. A tall d’exemple, podem referir-nos a la manera com la indústria química està beneficiant-se dels avenços en energies renovables (molt particularment, en l’aprofitament de la biomassa). En efecte, els progressos aconseguits amb l’ús de biomassa per a l’obtenció de biocombustibles (que cal limitar a la biomassa no destinada a l’alimentació i gestionada de manera sostenible!) ofereixen també alternatives renovables per a l’obtenció de productes essencials (des de

41 Educació química i ciència de la sostenibilitat. Una nova i potent font de motivació per als estudiants

Figura 5. Defensa del medi ambient. Monografia

plàstics i teixits sintètics fins a medicaments) sense haver de recórrer al petroli, tal com s’esdevé en l’actualitat (Steinfeld, 2006).

De fet, la ciència de la sostenibilitat, més que una nova àrea de coneixement, constitueix un «nou paradigma», una nova orientació que ha d’impregnar les distintes disciplines: el treball dels químics, enginyers, biòlegs, economistes, educadors, etc., no pot fer-se aïlladament, sinó que ha de tenir present el conjunt de les repercussions socioambientals (tant a curt com a llarg termini) de la seua activitat. I això obliga a estudiar les aportacions de les altres disciplines, així com els punts de vista dels moviments ciutadans. Avui no té sentit, per exemple, que es plantegi l’extracció d’hidrocarburs mitjançant la tecnologia de la fractura hidràulica sense una anàlisi completa de les seues conseqüències socioambientals, amb la participació de distints sectors de la comunitat científica (no sols els que estudien la viabilitat tècnica del procés) i, naturalment, dels sectors ciutadans implicats directament i indirecta. En això rau l’essència de la ciència de la sostenibilitat: en l’exigència d’interdisciplinarietat, transdisciplinarietat i plantejaments «glocals» en una perspectiva temporal «àmplia». Això ha d’impregnar el treball dels químics i dels professionals de qualsevol altra àrea, així com l’ensenyament de les diferents disciplines.

No es tracta, però, d’una exigència que faci l’estudi més feixuc. Ben al contrari, constitueix una ocasió perquè els estudiants esdevinguin protagonistes de la revolució científica i de la mutació cultural en marxa. Ens referirem, per acabar, a aquest fet, susceptible de donar a l’estudi l’interès de l’acció real.

Capacitat de la ciència de la sostenibilitat per generar l’interès dels estudiants per la química i el seu estudi

La incorporació explícita de la ciència de la sostenibilitat a l’ensenyament de la química té una gran potencialitat per interessar l’alumnat (i, prèviament, el professorat). En efecte, aquesta incorporació suposa posar la química i el seu ensenyament al servei de la transició a la sostenibilitat, que, recordem, constitueix l’objectiu últim del nou paradigma científic: assenyalar el camí cap a societats sostenibles en aquest nou període de la història de la humanitat, l’antropocè, en el qual l’acció dels éssers humans és responsable dels grans canvis que està experimentant el planeta (Komiyama i Takeuchi, 2006).

L’ensenyament de la química es vincula així als necessaris i profunds canvis socioculturals i tecnocientífics que les generacions actuals tenen la responsabilitat (i el privilegi!) d’engegar, amb la qual cosa posaran fi a una llarga «prehistòria» de creixement depredador, competitiu i insolidari de la humanitat.

D’aquesta forma, es dóna als estudiants l’ocasió de «fer coses conjuntament, amb metes d’interès col·lectiu», cosa que generarà les condicions propícies per desenvolupar la seua creativi-

tat i els seus esforços solidaris (Kliksberg, 2007), al mateix temps que els convertirà en protagonistes de la gran aventura del pensament i l’acció que suposa aquesta mutació.

Ara bé, és realment possible incorporar la ciència de la sostenibilitat, per exemple, a l’ensenyament de la química? Més concretament, és possible, per començar, procedir, des de l’estudi de la química, a la construcció d’una visió holística de la situació d’emergència planetària? Té sentit plantejar quines poden ser-ne les causes i les mesures per avançar en la transició a la sostenibilitat?

La resposta seria que no, si estem pensant a convertir la ciència de la sostenibilitat en una part de la química o viceversa. Però potser sí (i ha de ser sí), si pensem en la necessitat i la possibilitat de vincular els estudis més tècnics de problemàtiques com ara la que pot plantejar una certa síntesi orgànica a la consideració sistemàtica de les seues implicacions socioambientals, sense «externalitzacions» que deixen en l’ombra aspectes clau de la problemàtica (amb la «justificació» que aquests altres aspectes han de ser tractats per altres especialistes). Perquè no es necessiten fronteres separadores, sinó ponts integradors.

Figura 6. L’aula com a sala d’exposicions.

Podria pensar-se que la indústria química ja s’ajusta avui a legislacions i normatives que exigeixen l’estudi previ dels impactes ambientals d’un determinat projecte, l’aplicació del principi de prudència, l’evitació de possibles danys mediambientals, etc. Es tracta, però, d’anar bastant més enllà d’evitar certs danys obvis, com ara els que pot representar la pluja àcida o l’abocament de residus que destrueixen la fauna d’un riu. Cal considerar la contribució de l’activitat prevista en la petjada ecològica, cercar la mitigació del canvi climàtic, ajustar-se a l’economia del bé comú, respectar i promoure tots els drets humans (inclòs el dret a un ambient saludable), etc. Cal fer un estudi, en definitiva, que tingui present la sostenibilitat global.

És essencial, doncs, incorporar la problemàtica de la sostenibilitat al currículum de química i, de fet, ja s’han pogut donar importants passes en aquest sentit (Anastas i Warner, 1998; Garritz, 2011; Amador, 2013), perquè són moltes les ocasions en les quals es pot fer referència a problemes als quals la humanitat ha de fer front avui i a les mesures que s’han d’adoptar. Per exemple, quan s’estudia la química de l’atmosfera, les propietats de les substàncies, les reaccions químiques, el paper de l’energia en les transformacions, etc. En realitat, és difícil trobar un capítol del currículum de química que no es preste a estudiar problemes relatius a la situació del món. I, atesa l’estreta vinculació entre els problemes, és possible abordar «globalment» la problemàtica de la sostenibilitat d’una manera funcional, és a dir, contribuint a una visió holística de la situació del món (López et al., 2005; Garritz, 2011).

I això exigeix un esguard interdisciplinari i, més encara, una participació transdisciplinària de ciutadans i ciutadanes amb un mínim de formació científica, com la que poden i han de proporcionar la química i altres disciplines, si fan seues les característiques del nou paradigma científic i el propòsit explícit de contribuir a la transició a la sostenibilitat.

Però aquest plantejament global, sens dubte essencial, encara no és suficient. És necessari que estudiants i professorat fem nostre aquest impressionant repte científic i cultural. Un repte el resultat del qual es troba, en bona part, en les nostres mans, en allò que fem i deixem de fer, fruit dels coneixements que construïm i som capaços de compartir. Les activitats d’ensenyament/aprenentatge poden anar més enllà dels exercicis escolars i incorporar, fonamentadament, tota mena d’accions d’abast «glocal»: estimació de la petjada ecològica del centre

educatiu, del barri, de la ciutat, del país, de la vivenda pròpia, etc., i adopció de mesures per reduir-la; anàlisi crítica de les informacions proporcionades pels mitjans de comunicació i, molt particularment, per institucions i organitzacions com la UNESCO, el Worldwatch Institute, l’IPCC, Intermón, la WWF, Greenpeace, Amnistia Internacional, etc.; preparació de dossiers i elaboració de documents i altres productes; organització d’exposicions, debats, campanyes informatives i ciberaccions; participació en accions ciutadanes, i un llarg etcètera.

És necessari implicar-nos plenament (Moore, 2008) en l’objectiu de formar una ciutadania conscient dels problemes als quals ha de fer front la humanitat i preparada per a la presa de decisions fonamentades. Una tasca que, tal com hem vist, resulta particularment funcional des de l’ensenyament de la química, al mateix temps que constitueix un repte apassionant que pot i ha de contribuir a despertar l’interès dels estudiants tot millorant l’aprenentatge i evitant visions negatives de la química. Un repte que impulsen, en aquest moment, les crides de les Nacions Unides per participar en la definició d’uns Objectius de Desenvolupament Sostenible universals i una nova Agenda de

43 Educació química i ciència de la sostenibilitat. Una nova i potent font de motivació per als estudiants

Figura 7. Visió holística.

Figura 8. The world we want

Monografia / Química,

Desenvolupament Global Post2015 per tal d’aconseguir la necessària transició a la sostenibilitat, considerada la tasca més important, avui, per a la humanitat. Els estudiants poden començar així a esdevenir coprotagonistes de la transició a la sostenibilitat, al mateix temps que la idea d’escolarització obligatòria, limitada temporalment, deixa pas a la de dret universal a l’educació al llarg de la vida. Tot un privilegi i tot un compromís.

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Amparo Vilches

És doctora en química, professora del Departament de Didàctica de les Ciències Experimentals i Socials de la Universitat de València i catedràtica de física i química de batxillerat. En l’actualitat, el seu camp principal d’investigació se centra en l’educació per a la sostenibilitat.

A/e: amparo.vilches@uv.es

Web: http://www.uv.es/vilches/

Daniel Gil Pérez

És llicenciat en química, doctor en física i catedràtic de didàctica de les ciències jubilat. Actualment, centra la seva activitat investigadora i ciutadana a promoure la transició a la sostenibilitat.

A/e: daniel.gil@uv.es

Web: http://www.uv.es/gil/

Ensino de química entre a sala de aula e o Museu do Papel

L’ensenyament de la química entre l’aula i el Museu del Paper

Chemistry teaching: from the classroom to the Paper Museum

Manuela Ortigão / Escola Secundária Daniel Faria. Baltar (Portugal)

Fátima Paixão / Universidade de Aveiro. Centro de Investigação Didática e Tecnologia na Formação de Formadores / Instituto Politécnico de Castelo Branco. Escola Superior de Educação (Portugal)

resumo

Vivemos num planeta onde os recursos naturais são escassos para a população que nele habita. Os nossos alunos são os adultos de amanhã e cabe-nos a nós uma boa parte da responsabilidade pela educação para o desenvolvimento sustentável. Planificámos, aplicámos e avaliámos uma sequência de ensino sobre a produção do papel a partir das suas matérias-primas. As atividades desenrolaram-se na interação entre a sala de aula e o ambiente não formal do Museu do Papel Terras de Santa Maria (Portugal).

palavras-chave

Contextos formais e não formais, educação CTS, ensino de química, recursos naturais, desenvolvimento sustentável, museu do papel.

resum

Vivim en un món on els recursos naturals són escassos per a la gent que l’habita. Els nostres estudiants són els adults del demà i en bona part recau en nosaltres la responsabilitat de la seva educació per al desenvolupament sostenible. Planifiquem, apliquem i avaluem una seqüència d’aprenentatge sobre la producció de paper a partir de les seves matèries primeres. Les activitats es van dur a terme amb interacció entre l’aula i l’entorn no formal del Museu do Papel Terras de Santa Maria (Portugal).

paraules clau

Contextos formals i no formals, educació CTS, ensenyament de la química, recursos naturals, desenvolupament sostenible, museu del paper.

abstract

We live in a world where natural resources are scarce for the people living therein. Our pupils are the adults of tomorrow and it is our responsibility for an education for sustainable development. We designed, applied and evaluated a teaching sequence about the paper production from its raw materials. Activities were held in interaction between classroom and non-formal environment of the Museu do Papel Terras de Santa Maria (Portugal).

keywords

Formal and non-formal contexts, STS education, chemistry teaching, natural resources, sustainability development, paper museum.

Introdução

Desde tempos remotos que o homem sentiu a necessidade de registar as suas memórias visuais

utilizando para esse fim materiais diversos tais como o papiro ou o pergaminho. A palavra papel é originária do latim papyrus, nome

dado à planta da família Ciperaceas, cujas folhas eram sobrepostas e trabalhadas para serem transformadas num suporte para a

escrita. No início do século passado, o papel era considerado um artigo de luxo, sendo baixa a sua produção. A pasta de celulose, extraída da madeira de pinheiro ou de eucalipto, associada a uma grande evolução tecnológica, fez emergir o conceito de papel tal como hoje o conhecemos, produzido em larga escala, a preços acessíveis e de alta qualidade.

No final do século xix surge em Paços Brandão no concelho de Santa Maria da Feira (Portugal), um espaço manufatureiro de produção do papel folha a folha que se veio a converter numa unidade industrial no início do século xx, mantendo-se em laboração até 1989. Esse espaço foi reconvertido tendo sido aí implementado o Museu do Papel Terras de Santa Maria (fig. 1).

Neste Museu realizam-se visitas guiadas com o objetivo de divulgar a evolução do processo de fabrico do papel, sendo o visitante conduzido pelas diferentes salas onde se encontram os artefactos e as máquinas utilizadas, nesse mesmo local, durante a sua laboração. Na visita guiada há uma vivência de memórias papeleiras e interiorização de gestos tantas vezes repetidos pelos operários e operárias que ali trabalharam. O projeto «Gestão sustentável dos recursos» surgiu da necessidade de desenvolvermos uma sequência de aprendizagem sobre recursos naturais e as matériasprimas utilizadas na produção do

papel. O tema «Gestão sustentável dos recursos»,direcionado para alunos do 8.º ano (13-14 anos), seria abordado através de uma perspetiva integrada salientandose os aspetos: história do papel, evolução tecnológica que lhe esteve associada, sustentabilidade na produção industrial do papel e reciclagem. Para tal, foi estruturada uma sequência didática que foi desenvolvida em diferentes contextos, formal (sala de aula) e não formal (Museu do Papel), permitindo criar uma articulação harmoniosa entre as atividades que decorreram nos dois contextos. Com esta estratégia propusemo-nos melhorar o interesse dos nossos alunos pela química e que este viesse a refletir melhorias nos resultados escolares.

O projeto «Gestão sustentável dos recursos» iniciou-se com três questões-chave:

1. Quais as consequências das aplicações científicas e tecnológicas para a Terra na exploração das florestas?

2. Quais as consequências para a Terra da utilização desregrada do recurso natural madeira?

3. Como poderemos contribuir para a sustentabilidade da Terra na utilização deste recurso?

Foram definidos também objetivos centrados no aluno:

1. Compreender a exploração das florestas tendo em conta os seus custos e benefícios na produção industrial do papel.

2. Conhecer os processos de produção do papel artesanal e industrial nos séculos xix e xx.

3. Reconhecer a necessidade de preservar a biodiversidade na exploração das florestas.

4. Reconhecer a necessidade de fazer a separação de papel e associá-la aos 3R (reduzir, reutilizar, reciclar).

A utilização do Museu do Papel Terras de Santa Maria como

contexto não formal por alunos do 8.º ano não era habitual neste espaço, direcionando-se as atividades para faixas etárias mais baixas. Deste modo, produzimos materiais didáticos em colaboração com a equipa do Museu para que estes pudessem não só ser utilizados pelos nossos alunos, mas também constituir um reforço na oferta educativa deste Museu. Neste momento, os materiais produzidos já se encontram validados pela sua utilização por duas turmas do 8.º ano participantes no projeto e pretendemos continuar a recolher dados relativamente a outras visitas que, entretanto, venham a decorrer. O objetivo do nosso estudo é apresentar a sequência didática desenvolvida no Museu do Papel Terras de Santa Maria no âmbito do projeto «Gestão sustentável dos recursos» e avaliar o seu impacto na aprendizagem de alunos de 8.º ano.

Contextos formais e não formais

Falar de educação em contextos não formais é refletir sobre o mundo que envolve os indivíduos e as suas relações sociais tentando buscar determinados objetivos de educação fora da instituição escolar. Rodrigues e Martins (2005) valorizam os espaços não formais acrescentando ainda um ganho nos níveis afetivo, emotivo, sensorial e cognitivo, da (re)construção do conhecimento.

Quando leva alunos a um museu, a escola proporciona-lhes o contacto com objetos e a vivência de experiências que, em geral, não fazem parte do quotidiano do ensino formal. Graças aos recursos físicos e humanos existentes nos museus, criam-se ambientes em que o aluno experimenta em contexto. Ao viverem estas experiências os alunos apercebem-se das estreitas relações que existem entre a ciência e a tecnologia e das suas

Figura 1. Museu do Papel Terras de Santa Maria.

interações com a vida do dia-adia e da sociedade. Estas finalidades são sustentadas pela orientação CTS para o ensino das ciências (Vieira, Tenreiro-Vieira e Martins, 2011; Paixão, Pereira e Cachapuz, 2012). Parece haver algum consenso acerca da motivação dos alunos e do incremento ao nível do desenvolvimento de algumas competências como a comunicação, o espírito crítico e a promoção da literacia científica resultantes da implementação destas estratégias.

Escolher museus como contextos privilegiados de aprendizagem não formal é, segundo Campillo e Guerrero (2011), partir da premissa que é possível utilizar qualquer museu como recurso didático desde que se faça uma planificação e desenho de atividades com propósitos definidos.

Guisasola et al. (2005) e Guisasola e Morentin (2007) consideram que a visita a um museu deverá estar integrada numa determinada unidade didática e que os alunos deverão sentir a necessidade de se deslocarem ao museu na procura de respostas a problemas.

Fazer o museu interagir com a escola, direcionando-o para os interesses dos alunos, também nos parece um caminho promissor uma vez que é possível a partilha de experiências educativas entre as equipas do museu e a escola tornando a visita mais ajustada aos objetivos pretendidos.

Desenvolvimento do projeto «Gestão sustentável dos recursos»

Elaboramos um projeto dirigido à entidade gestora do Museu do Papel Terras de Santa Maria, intitulado «Gestão sustentável dos recursos» e que integrava uma deslocação ao Museu de duas turmas, 8.º C e 8.º D, divididas em catorze grupos de três a

quatro elementos, incluindo a visita guiada e a participação numa oficina de reciclagem. Com o projeto, pretendia-se uma adaptação do Museu por forma a proporcionar respostas a questões-problema formuladas, permitindo em simultâneo uma «viagem» pela história do papel acompanhando os artefactos utilizados e uma experiência prática na oficina de reciclagem do papel. Esperava-se assim enfatizar a relação do papel com o consumidor ao longo do tempo, desde a produção artesanal folha a folha até à sua reciclagem.

Tal como Anderson, Lucas e Ginns (2000) e Guisasola e Morentin (2007) defendem, contemplamos três grandes etapas na contextualização da visita de estudo: 1) preparação da visita (pré-visita, na escola); 2) execução da visita (ambiente não formal), e 3) sistematização do conhecimento (pós-visita, na escola). Definimos também questões orientadoras que permitissem conduzir os alunos na procura de respostas às questões que lhes foram sendo colocadas. Desta forma, o contexto não formal (Museu do Papel) surge naturalmente quando se questionam os alunos acerca da produção do papel no século passado. Seguiram-se as orientações propostas por Caamaño (2013) na elaboração da planificação (quadro 1).

Actividade 1. Descobrindo o processo de produção industrial do papel...

Os alunos já estavam divididos em grupos de três a quatro elementos quando se iniciou a atividade 1 no laboratório de física e química da escola. Foi distribuída a primeira parte de uma ficha de trabalho e confrontados os alunos com a exploração do recurso natural floresta, através das questões-chave

apresentadas no quadro 1. Nessa altura, as respostas a estas questões foram muito vagas centrando-se nos seguintes aspetos: «destruímos as florestas» e «podemos reciclar o papel».

Através da análise de um esquema (fig. 2), os alunos familiarizaram-se com as etapas do processo de fabrico do papel e com os constituintes da madeira (fibras de celulose e lenhina) e, por fim, identificaram todas as etapas de produção do papel num vídeo de cerca de 8 min sobre a fábrica de papel do Grupo Portucel-Soporcel na Figueira da Foz (Patterson, 2011).

Os alunos revelaram interesse pelas atividades, mostraram curiosidade pelo processo de produção industrial de papel e alguma surpresa em relação às enormes quantidades de matériaprima, água e energia, que são necessárias para a produção do papel a partir da madeira (celulose).

Seguiu-se uma nova questãoproblema: «Como se produzia papel antigamente?», questão esta que serviu de mote para fazer surgir a necessidade e importância de visitar o Museu do Papel Terras de Santa Maria. Com uma apresentação em PowerPoint sobre o Museu, identificámos os objetivos da visita guiada e da oficina de reciclagem. Esclarecemos dúvidas e curiosidades acerca das atividades a desenvolver e da sua operacionalização e relembramos os horários a cumprir e outros aspetos logísticos.

No início da implementação do projeto, foi solicitado a cada grupo de alunos a recolha de papel usado numa caixa de cartão que transportariam e entregariam no Museu no dia da visita; informou-se também que deveriam tomar notas relativas às informações transmitidas durante as atividades.

Quadro1. Planificação do projeto «Gestão sustentável dos recursos»

Atividade Questões orientadoras

1. Descobrindo o processo de produção industrial de papel...

Questões chave:

1. Quais as consequências das aplicações científicas e tecnológicas para a Terra na exploração das florestas?

2. Quais as consequências para a Terra da utilização desregrada do recurso natural madeira?

3. Como poderemos contribuir para a sustentabilidade da Terra na utilização deste recurso?

Quais as matérias-primas utilizadas na produção do papel?

Recursos materiais Gestão temporal Local

Ficha de trabalho, papel, lápis.

30 minSala de aula

Como se produz o papel atualmente? Vídeo sobre a produção industrial do papel, computador, projetor, esquema produção industrial do papel.

Como se produzia papel antigamente?Apresentação sobre o Museu do Papel.

2. Vamos visitar o Museu... Quais as matérias-primas utilizadas na produção do papel?

3. Vamos fazer papel reciclado...

4. Vamos responder aos cartões...

5. O que aprendemos...

Como se recicla o papel?

Instalações do Museu do Papel, papel, lápis.

Papel, água, cola, trituradora, bastidores, bacias. 60 min

Questões dos cartões (figuras) Cartões do Museu do Papel, folha de respostas, caneta.

Quais as preocupações ambientais que uma industria papeleira deve ter?

Será que as indústrias papeleiras devem ter um papel ativo na prevenção de incêndios?

Ficha de trabalho, papel, lápis, desdobráveis vídeo Química do fogo

60 minMuseu do Papel

15 min

45 min Sala de aula

Figura 2. Esquema produção industrial do papel: a) trituração dos troncos de eucalipto; b) cozimento da madeira; c) adição de água; d) preparação da pasta de papel; e) Prensagem e secagem do papel.

Museu do Papel Terras de Santa Maria

A visita de estudo, com uma duração de cerca de 3 h, compreendeu as seguintes fases: entrega das caixas contendo papel usado (fig. 3), apresentação e contextualização do Museu (fig. 4), visita guiada e oficina de reciclagem em regime de alternância das duas turmas.

Actividade 2. Vamos visitar o Museu...

Durante a visita guiada, os alunos aperceberam-se da evolução tecnológica que decorreu desde a produção artesanal do

a)

papel folha a folha até à produção industrial durante os séculos xix e xx, tendo tido a oportunidade de conhecer as máquinas e artefactos que foram sendo utilizados ao longo desse tempo. A importância

de um curso de água próximo das fábricas de papel foi um dos aspetos evidenciados, pela sua utilidade no funcionamento da roda hidráulica e do moinho de galgas.

Os alunos mostraram-se muito interessados e curiosos, interrompendo a monitora com questões sobre as quais tinham dúvidas e/ou fazendo comentários acerca dos artefactos e máquinas visualizados (fig. 5).

Figura 3. Transporte das caixas contendo papel usado.

Figura 5. Visita guiada.

Figura 4. Sessão de apresentação proferida pela equipa educativa do Museu do Papel.

Intercanvi

Actividade 3. Vamos fazer papel reciclado...

Na oficina de reciclagem do papel foram focados os temas relacionados com a separação de resíduos, a importância da reciclagem na preservação de matérias-primas e a política dos 3R. Os alunos aprenderam a rasgar o papel usado de acordo com o sentido das fibras de celulose e visualizaram a tritura-

do Museu). Esta atividade foi muito participada, tendo alguns alunos pedido para fazer mais do que uma folha de papel reciclado.

Actividade 4. Vamos responder aos cartões...

Os cartões do Museu do Papel foram construídos em colaboração com a equipa educativa do Museu do Papel Terras de Santa

ção do papel com uma máquina industrial para a produção de pasta de papel. Também analisaram a textura da pasta de papel, a sua cor e a sua consistência e iniciaram a produção de papel folha a folha utilizando o processo artesanal em uso desde o início do século xix.

Cada aluno produziu a sua folha de papel, prensou-a e colocou-a a secar (fig. 6).

Durante a realização da atividade, os alunos estiveram atentos e interessados, mas também descontraídos, tendo-se promovido um bom ambiente entre todos os intervenientes (professoras, alunos e monitoras

O cartão 1 diz respeito à produção artesanal do papel e às suas origens e põe em evidência a matéria-prima utilizada, na altura, para a produção do papel: trapos de algodão, linho e cânhamo. Já com o cartão 2 se pretende dar enfâse ao facto de ser necessário utilizar outro recurso natural na produção do papel, a água, e alertar os alunos para a necessidade das fábricas de papel

Maria. A elaboração de questões pressupôs um estudo aprofundado sobre a evolução da história do papel e o conhecimento acerca das informações que são transmitidas aos visitantes aquando da visita guiada.

Este conjunto de materiais, constituído por seis cartões onde se integram as diversas fases de produção do papel, contém vinte e quatro questões complementadas por algumas imagens ilustrativas (fig. 7). Estes cartões encontram-se, a partir da visita dos nossos alunos, disponíveis e têm continuado a ser utilizados em visitas de estudo ao Museu do Papel Terras de Santa Maria.

serem servidas por cursos de água. Os cartões 3 e 4 são referentes à produção industrial do papel nos séculos xix e grande parte do xx. Com o cartão 5, pretende-se analisar se os alunos perceberam a utilidade de cada um dos materiais produzidos na antiga unidade fabril que existia no espaço do Museu. O cartão 6 diz respeito à oficina de reciclagem de papel. As três primeiras questões tinham como objetivo avaliar o conhecimento acerca do processo de reciclagem de papel. Com a última questão, pretendia-se que os alunos refletissem acerca da utilização, em larga escala, dos sacos de plástico, apesar de o

Figura 6. Oficina de reciclagem.

tempo de degradação destes ser muito superior ao dos de papel.

Terminadas as atividades, e após uma curta pausa, os grupos reuniram-se no auditório do Museu para darem resposta às questões dos seis cartões e a um questionário de satisfação do Museu do Papel também elaborado para o efeito. Durante esta atividade, os alunos mantiveramse empolgados a consultar os

seus apontamentos, a trocar ideias sobre as respostas às questões dos cartões.

Actividade 5. O que aprendemos...

De regresso à escola, novamente numa aula em regime de desdobramento, foi proposta aos alunos a sistematização de todos os conhecimentos adquiridos sobre a produção do papel. Para esse efeito, entregámos a segunda

parte da ficha de trabalho já iniciada na aula de pré-visita. Os grupos preencheram uma tabela contendo dados sobre a matériaprima utilizada na produção do papel, os restantes recursos naturais necessários à sua produção, o tipo de resíduos produzidos e as principais diferenças que ocorreram na produção industrial do papel entre os séculos xix e xx (quadro 2).

Ensino

Figura 7. Cartões do Museu do Papel.

Figura 8. Resposta às questões dos cartões do Museu do Papel.

Intercanvi

2. Quadro preenchido por um dos grupos de alunos sobre a produção industrial do papel

Foram entregues, a cada aluno, brochuras e desdobráveis1 sobre a sustentabilidade na produção industrial do papel. Os alunos procuraram informações que lhes permitissem emitir opinião acerca das medidas de sustentabilidade implementadas pela empresa no que diz respeito à preservação da fauna e flora durante o período de maturação dos eucaliptos (cerca de dez anos). Questionados acerca das preocupações ambientais das indústrias papeleiras, um dos grupos respondeu:

Devem produzir a sua própria energia a partir da biomassa, repor a floresta com a mesma quantidade de eucaliptos que foi utilizada e preservar a biodiversidade existente na floresta.

Complementou-se esta atividade com um vídeo, com a duração de 3 min e intitulado A química do fogo (Rosa, 2011), com o intuito de alertar e questionar os grupos sobre as responsabilidades da indústria papeleira ao nível da proteção de incêndios nas flores-

1 A empresa Portucel-Soporcel teve a gentileza de enviar para a escola material de divulgação adequado ao tratamento do tema «Sustentabilidade» no 8.º ano a pedido da professora investigadora.

tas. A título de exemplo, apresenta-se uma das respostas obtidas:

Sim, porque se não preservarem as florestas, correm o risco destas incendiarem, queimando os eucaliptos que são essenciais como matéria-prima para a produção industrial do papel.

Por último, os grupos responderam às três questões-chave. Eis algumas respostas dadas:

Os cartões do Museu do Papel foram construídos em colaboração com a equipa educativa do Museu do Papel Terras de Santa Maria. A elaboração de questões pressupôs um estudo aprofundado sobre a evolução da história do papel e o conhecimento acerca das informações que são transmitidas aos visitantes aquando da visita guiada

Avaliação das atividades

Na análise das respostas dadas às vinte e quatro questões dos cartões, atribuímos 1 ponto a cada resposta correta, 0,5 pontos a respostas incompletas e 0 pontos a respostas erradas ou sem resposta. Estas pontuações foram convertidas em percentagem.

Questão 1. Quais as consequências das aplicações científicas e tecnológicas para a Terra na exploração das florestas?

Questão 2. Quais as consequências para a Terra da utilização desregrada do recurso natural madeira?

Questão 3.Como poderemos contribuir para a sustentabilidade da Terra na utilização deste recurso?

Quadro

Numa primeira análise aos resultados obtidos, é possível concluir que a turma C obteve pontuações ligeiramente superiores às da turma D, tendo-se obtido médias, respetivamente, de 74,82 % e 70,24 %. Estes resultados permitem-nos corroborar a ideia de que a turma D, com alunos mais desinteressados e desmotivados e que obtêm, normalmente, resultados escolares mais baixos em aprendizagens em ambiente formal, obteve, numa situação de inter-relação entre contexto formal e não formal, resultados idênticos à turma C, composta por alunos habitualmente motivados e interessados. Desta análise, parece-nos legítimo concluir que esta experiência de aprendizagem terá sido do agrado dos alunos e que contribuiu, em ambas as turmas, para a melhoria das aprendizagens.

Na análise das respostas dadas às vinte e quatro questões dos cartões, atribuímos 1 ponto a cada resposta correta, 0,5 pontos a respostas incompletas e 0 pontos a respostas erradas ou sem resposta

Durante a atividade 4, os alunos mostraram-se sempre muito empolgados a consultar os apontamentos e a trocar ideias sobre as respostas às questões dos cartões. Também na atividade 5, os grupos desenvolveram as atividades propostas e conseguiriam, em muitos casos, dividir tarefas de preenchimento do quadro, exploração das brochuras e desdobráveis e dar resposta às questõesproblema orientadoras. O facto de terem trabalhado em grupo promoveu a cooperação entre pares na recolha e análise de informação e o pensamento crítico.

Analisando as respostas do questionário do Museu do Papel, os alunos revelaram maior interesse pelas atividades de índole mais prática e, em ambas as turmas, a oficina de reciclagem (atividade 3) acolheu o maior número de preferências, salientando-se a turma D com 54,2 %. Os alunos justificaram a sua escolha afirmando: «aprendi a fazer papel», «foi divertido e fácil de aprender», foi «interessante», «porque participei e não sabia como se fazia o papel».

A visita guiada ao Museu (atividade 2), incluindo máquinas como a roda hidráulica, o moinho de galgas ou a casa do Espande, também foi do interesse de 20 % dos alunos da turma C e 25 % dos alunos da turma D, o que denota a curiosidade destes pela história do fabrico do papel e pelo funcionamento das máquinas utilizadas. As justificações apresentadas foram as seguintes: «usamos o papel e não sabemos a sua história», «é interessante», «fiquei a saber como funciona a roda hidráulica».

Em relação próprio projeto «Gestão sustentável dos recursos», os alunos referiram:

Gostei da sequência de aprendizagem implementada, pois foi diferente de todas as aulas que tivemos com os outros professores. A visita de estudo ao Museu do Papel foi bastante interessante e foi uma maneira mais divertida de aprender.

O trabalho de grupo, a partilha de informação/opiniões com os outros elementos do grupo e a visita de estudo contribuíram para um maior empenho e interesse da minha parte. Não fiquei com dúvidas, foram atividades divertidas, diferentes, mas também muito eficazes.

A equipa educativa do Museu do Papel Terras de Santa Maria salientou:

Este projeto foi bem estruturado e realizado, fazendo-se assim um balanço muito positivo.

Para o Museu do Papel Terras de Santa Maria, foi uma experiência bastante positiva e nova, uma vez que para esta faixa etária ou ano escolar não tinhamos ainda nenhuma atividade prática, somente visita.

Este projeto pode, no futuro, ser uma mais-valia para os Serviços Educativos do Museu do Papel Terras de Santa Maria.

Conclusões

O projeto «Gestão sustentável dos recursos», desenvolvido na interação entre o contexto formal da sala de aula e o contexto não formal do Museu do Papel Terras de Santa Maria, foi avaliado muito positivamente por todos os intervenientes no que respeita às suas três fases e aos recursos produzidos para o Museu. A preparação da visita de estudo, na fase de pré-visita, permitiu que os alunos sentissem que a atividade, globalmente, serviria o propósito de dar respostas às questões formuladas na ficha de trabalho (atividade 1). Esta simbiose entre o contexto formal de sala de aula e o não formal do Museu permitiu que os resultados de aprendizagem fossem muito além de aspetos genéricos e de atitudes, habitualmente referidos como as principais aprendizagens proporcionadas pelas visitas de estudo, tal como também sugerem Guisasola e Morentin (2007) e Oliveira (2013). Esta estratégia também se revelou bastante eficaz na aula de pós-visita (atividade 5), onde, mais uma vez,

Ensino

Intercanvi / Química, educació

O projeto «Gestão sustentável dos recursos», desenvolvido na interação entre o contexto formal da sala de aula e o contexto não formal do Museu do Papel Terras de Santa Maria, foi avaliado muito positivamente por todos os intervenientes no que respeita às suas três fases e aos recursos produzidos para o Museu

se estabeleceu a ligação com o contexto não formal. Os alunos mostraram-se interessados e motivados e conseguiram mobilizar os conhecimentos adquiridos durante a visita de estudo ao Museu do Papel Terras de Santa Maria. Já os recursos produzidos em parceria com a equipa educativa do Museu (cartões) continuaram a ser usados nas visitas de estudo subsequentes. Gostaríamos de poder contrapor os nossos resultados com outros que venham a acontecer com diferentes alunos do 8.º ano, através da utilização dos recursos que produzimos e disponibilizamos ao Museu do Papel Terras de Santa Maria. Desta forma, seria também possível ter uma amostragem muito maior, o que permitiria aferir melhor a adequação das questões dos cartões ao nível dos alunos para os quais foram concebidos.

Referências

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Manuela Ortigão

É professora do Departamento de Matemáticas e Ciências Experimentais da Escola Secundária de Baltar. Licenciada em Química Analítica e Ensino de Física e Química, e mestre em Didática pela Universidade de Aveiro. Tem coordenado diversos projetos com alunos no âmbito da educação para o desenvolvimento sustentável.

E-mail: manuelaortigao@ua.pt

É professora coordenadora com agregação da Escola Superior de Educação do Instituto Politécnico de Castelo Branco e membro do Centro de Investigação Didática e Tecnologia na Formação de Formadores da Universidade de Aveiro. Tem lecionado didática, história e filosofia das ciências e tem orientado prática pedagógica de professores de física e química. Coordena o mestrado em Supervisão e Avaliação Escolar e tem sido consultora de programas e de recursos didáticos do Ministério da Educação. E-mail: mfpaixao@ipcb.pt

Fátima Paixão

Trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial del profesorado planificando una investigación

Treballar la naturalesa de la ciència en la formació inicial del professorat planificant una investigació

Working the nature of science in initial teacher training by planning a research

Beatriz Crujeiras Pérez y Blanca Puig Mauriz / Universidade de Santiago de Compostela. Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais

resumen

En este artículo se presenta una actividad de laboratorio para trabajar aspectos de la naturaleza de la ciencia desde la participación del alumnado en las prácticas científicas, en particular, la construcción del conocimiento científico a través de la planificación de una investigación. La actividad se realiza en la formación inicial de maestros y consiste en responder, ordenar y dar un nombre a ocho tarjetas que contienen preguntas relacionadas con las tareas implicadas en la planificación de una investigación. Se examina: 1) el contenido de las respuestas a las preguntas; 2) el orden de las preguntas a la hora de llevar a cabo la planificación, y 3) el nombre atribuido a cada pregunta. palabras clave

Construcción del conocimiento, planificación de investigaciones, prácticas científicas, laboratorio, formación del profesorado.

resum

En aquest article es presenta una activitat de laboratori per treballar aspectes de la naturalesa de la ciència des de la participació de l’alumnat en les pràctiques científiques, en particular, la construcció del coneixement científic a través de la planificació d’una investigació. L’activitat es realitza en la formació inicial de mestres i consisteix a respondre, ordenar i donar un nom a vuit targetes que contenen preguntes relacionades amb les tasques implicades en la planificació d’una investigació. S’examina: 1) el contingut de les respostes a les preguntes; 2) l’ordre de les preguntes a l’hora de dur a terme la planificació, i 3) el nom atribuït a cada pregunta.

paraules clau

Construcció del coneixement, planificació d’investigacions, pràctiques científiques, laboratori, formació del professorat.

abstract

This paper presents a laboratory task that enables learning about nature of science through students’ engagement in scientific practices, in particular, about scientific knowledge construction through planning an investigation. The task is carried out in primary teacher education and it requires participants to answer, order and label eight cards containing questions about actions involved in planning an investigation. We examine: 1) the content of answers; 2) the order of questions when planning, and 3) the name given to each question.

keywords

Knowledge construction, planning investigations, scientific practices, laboratory, teacher development.

Introducción

Hoy en día existe consenso en la necesidad de que la enseñanza de las ciencias sea coherente con la forma en la que se construye el conocimiento científico (e. g. Duschl, 1990; Gil, 1993). Esto implica incluir aspectos sobre la naturaleza de la ciencia en la instrucción con el propósito de acercar la ciencia escolar a la ciencia profesional, y así evitar que el alumnado desarrolle una idea sobre la ciencia que difiera de la realidad.

A pesar de que hay consenso acerca de la importancia de enseñar sobre la naturaleza de la ciencia, existen diferencias sobre la metodología de enseñanza a utilizar. Duschl y Grandy (2013) identifican dos corrientes: una que señala la necesidad de la enseñanza explícita de los aspectos de la naturaleza de la ciencia como un conjunto de principios heurísticos utilizados desde la filosofía y la historia de la ciencia para caracterizarla como saber (Abd-el-Khalick, 2012), y otra que señala que el aprendizaje sobre la naturaleza de la ciencia tiene lugar cuando el alumnado participa en las prácticas de construcción, evaluación y comunicación del conocimiento, es decir, cuando el alumnado aprende a través de la práctica (Duschl, 2008; Kelly, 2008). Este trabajo se sitúa en la segunda perspectiva: los participantes aprenden a través de la práctica, en particular, a través de la planificación de una investigación.

Para que el alumnado aprenda sobre la naturaleza de la ciencia a través de la práctica, es necesario que el profesorado disponga de formación sobre esta perspectiva, además de una adecuada comprensión de la naturaleza de la ciencia; por tanto, considera-

Para que el alumnado aprenda sobre la naturaleza de la ciencia a través de la práctica, es necesario que el profesorado disponga de formación sobre esta perspectiva, además de una adecuada comprensión de la naturaleza de la ciencia; por tanto, consideramos el aprendizaje de la naturaleza de la ciencia como un requisito en la formación del profesorado de ciencias

mos el aprendizaje de la naturaleza de la ciencia como un requisito en la formación del profesorado de ciencias. Guisasola y Morentin (2007) señalan que este aspecto no se trabaja con frecuencia en los cursos de formación inicial de maestros y elaboran un cuestionario para conocer las concepciones de maestros en formación sobre aspectos de la naturaleza de la ciencia. Estos autores indican que el alumnado presenta imágenes distorsionadas de la actividad científica. Nosotras consideramos que para superar este problema es necesario trabajar las prácticas de la actividad científica, en particular, desde la planificación de investigaciones en contextos auténticos.

En este trabajo presentamos una propuesta sobre cómo trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial de maestros desde la práctica. Examinamos también el proceso de resolución de la actividad.

Aprender sobre la naturaleza de la ciencia planificando un diseño experimental

El aprendizaje sobre la naturaleza de la ciencia se incluye en el programa de las materias de ciencias del grado en Maestro de Educación Primaria como primer tema del programa, tanto en segundo como en tercer curso. Dado que la naturaleza de la ciencia se trabaja de forma teórica, decidimos elaborar una actividad situada en un contexto próximo al alumnado que permitiese aprender aspectos de la naturaleza de la ciencia de forma práctica.

Descripción e implementación de la actividad

La actividad «¿Cuál es la mejor bolsa para transportar la compra del supermercado?», que se detalla en el cuadro 1, trata sobre la naturaleza de la ciencia, en particular, sobre la construcción del conocimiento científico a través de la planificación de una investigación. Como lo que nos interesa son los aspectos que forman parte del proceso de planificación de una investigación, no se llevó a cabo la puesta en práctica de la misma, sino solo la parte teórica. La actividad requiere planificar un diseño experimental para evaluar la mejor bolsa (fécula, plástico, papel o rafia) para transportar la compra del supermercado. Para el diseño de la actividad, nos basamos en una actividad de la página web http://primaryresources.co.uk, que incluye actividades de ciencias para la educación primaria. La actividad inicial trabaja la indagación en el aula a través de la planificación de un experimento para averiguar qué bolsa de plástico de las que ofrecen distintos supermercados ingleses es la más resistente para transportar la compra. Para ayudar con la planificación,

Cuadro 1. Guion de la actividad

¿Cuál es la mejor bolsa para transportar la compra del supermercado?

Cuando vas al supermercado, llevas siempre tus propias bolsas de la compra. El viernes vas a comprar la comida al súper y te olvidas de coger las bolsas, teniendo que comprar una en el supermercado.

Cuando vas a pagar, la cajera te comenta que hay cuatro tipos de bolsas:

A. Bolsa de fécula de patata: hecha a partir de fécula de almidón de patata 100 % biodegradable.

B. Bolsa de plástico: hecha a partir de un polímero no biodegradable.

C. Bolsa de papel: 100 % reciclable.

D. Bolsa de rafia: hecha a partir de fibras sintéticas, reutilizable.

Ella te sugiere comprar la bolsa A. Si tuvieras que comprobar cuál de las cuatro bolsas es más adecuada, ¿cómo lo harías?

1. Planificad cómo vais a llevar a cabo la investigación. Las etiquetas que tenéis en la mesa os pueden ayudar a planificar los pasos de la investigación. Para esto, tenéis que ordenarlas y cubrir la información que se pide en cada una.

2. Puesta en común de la planificación de cada grupo.

3. Una vez discutidos los pasos a dar en la investigación, ¿coinciden vuestros resultados con las predicciones elaboradas en la pregunta 1?

4. ¿Qué aspectos sobre la naturaleza de la ciencia trabajamos?

se proponen una serie de preguntas.

A partir de esta actividad, elaboramos la nuestra, cambiando: a) el guion de la tarea, incorporando un contexto real; b) algunas preguntas, y añadiendo otras nuevas. La pregunta formulada como problema (¿cuál es la «mejor» bolsa para transportar la compra?)es de carácter abierto. Decidimos plantearla de este modo en vez de señalar solo la resistividad (preguntando por cuál es la más resistente) con el objetivo de que el alumnado contemplase tanto aspectos físicos (resistividad) como medioambientales (impacto en el medio y reutilización con base en las características de su composición).

En la elección del contexto, tuvimos en cuenta dos aspectos: 1) que sea familiar para los participantes, de modo que se presenta una situación cotidiana: elegir la mejor bolsa para trans-

portar la compra del supermercado; 2) que incorpore contenidos transversales de educación ambiental, de modo que se presentan cuatro tipos de bolsas con información acerca del material del que están hechas y el efecto que tienen en el medioambiente. Los participantes deben distinguir entre material reciclable, reutilizable y biodegradable para poder valorar el impacto que producen en el medio ambiente.

El aprendizaje sobre la naturaleza de la ciencia se incluye en el programa de las materias de ciencias del grado en Maestro de Educación Primaria como primer tema del programa, tanto en segundo como en tercer curso

La actividad se realiza en dos aulas de segundo curso del grado en Maestro de Educación Primaria (ciento diecisiete estudiantes en total), dentro de la materia Enseñanza y aprendizaje de las ciencias experimentales I, orientada a la enseñanza de la didáctica de la física y la química en primaria. La tarea se llevó a cabo en una sesión de hora y media, después de introducir en la clase anterior algunas cuestiones sobre la naturaleza de la ciencia, como, por ejemplo, ¿qué es la ciencia?, ¿cómo funciona y cómo se relaciona con la sociedad? y ¿cómo se construye el conocimiento científico?, entre otras. Los participantes trabajan en pequeños grupos y, con el objetivo de guiarles en la planificación de la investigación, se proporciona a cada grupo ocho tarjetas de distintos colores que se corresponden con los pasos a seguir para planificar un diseño experimental adecuado. Como se muestra en la fig. 1, cada tarjeta incluye una pregunta para facilitarles la identificación de cada paso: ¿qué pienso que va a suceder?, ¿qué material/equipamiento necesito para investigar la cuestión?, ¿qué aspectos van a cambiar en cada prueba para cada bolsa?, ¿qué aspectos necesito mantener constantes y cómo?, ¿qué voy a hacer (pasos a seguir) para investigar la cuestión?, ¿cómo voy a medir la resistencia de las bolsas?, ¿cuál será la más resistente?, ¿cuántas veces debo hacer la prueba para cada bolsa para que sea fiable? y ¿cómo voy a presentar los resultados de la investigación?

Para planificar la investigación, los participantes deben llevar a cabo tres pasos: 1) responder a las preguntas formuladas en las tarjetas; 2) ordenar las tarjetas cubiertas en función de los pasos a realizar en la planificación de la investigación, y

3) indicar el nombre científico que corresponde a cada tarjeta.

Contribuciones de la tarea a la formación del profesorado sobre la naturaleza de la ciencia

La tarea pretende poner de manifiesto algunas dimensiones relacionadas con el trabajo científico, como la necesidad de planificar un estudio para resolver un problema de investigación, proceso que en ocasiones consume más tiempo que la realización del experimento (Crujeiras Pérez y JiménezAleixandre, 2012). El objetivo es

hacer explícitos los pasos a seguir en cualquier planificación de un diseño experimental y reflexionar sobre cada uno de ellos. La tabla 1 resume algunas dimensiones de la naturaleza de la ciencia que se trabajan en esta actividad. Fueron tomadas de Crujeiras Pérez y Jiménez-Aleixandre (2012), adaptándose a la tarea realizada.

¿Qué queremos investigar?

Nos interesa investigar el conocimiento del profesorado en formación inicial sobre la naturaleza de la ciencia en una activi-

Aspectos sobre la naturaleza de la ciencia

1. La ciencia parte de preguntas o problemas sin resolver.

2. Los problemas se resuelven planificando una investigación.

3. La planificación requiere atender a distintos aspectos: control de variables, material, etc.

Nos interesa investigar el conocimiento del profesorado en formación inicial sobre la naturaleza de la ciencia en una actividad «auténtica» que requiere planificar un diseño de investigación

dad «auténtica» que requiere planificar un diseño de investigación. Para ello, grabamos las sesiones de los distintos grupos, tomando notas acerca de la marcha de la actividad. En este artículo examinamos las respuestas escritas de los grupos a la primera pregunta del guion de la actividad, que requería planificar el estudio. Los resultados los analizamos en función de las tres fases que comprende la planificación: respuesta a las preguntas de las tarjetas, orden de las tarjetas y nombre científico de cada tarjeta.

Contenido de las respuestas a las preguntas

La mayoría de las respuestas a las preguntas de las tarjetas son poco elaboradas y, en los casos en los que estas se desarrollan, la información que incluyen es poco precisa, destacando las tarjetas

Actividad «¿Qué bolsa es mejor?»

Pregunta: ¿cuál es la mejor bolsa para transportar la compra del supermercado?

Los estudiantes tienen que planificar un diseño experimental para evaluar la bolsa y elegir la más adecuada. Las tarjetas sirven como guía de la planificación.

Los estudiantes deben identificar la variable independiente (material de cada bolsa) y definir la variable dependiente (peso), y controlar la variable peso.

Tabla 1. Dimensiones de la naturaleza de la ciencia que se trabajan en esta actividad

Figura 1. Tarjetas con las preguntas proporcionadas a cada pequeño grupo.

relativas a la explicación del procedimiento (pasos a seguir) y al material a utilizar. Respecto a esto último, la mayoría de los grupos confunden el material necesario con las variables (el peso), señalando solo dos grupos instrumentos como la «pesa» (balanza), el «cronómetro» y la calculadora.

Hay que destacar que a la pregunta «¿Cuántas veces debo repetir cada prueba con cada bolsa para que esta sea fiable?», la mayoría señalan solo el número de veces de cada prueba, sin dar una justificación. Algunos proporcionan respuestas poco precisas y no proponen un número, sino las suficientes veces para que sea fiable.

Otro resultado a comentar es el relativo a la pregunta «¿Cómo vas a presentar los resultados de la investigación?». Algunos proponen el uso de gráficos con las variables que identifican y otros deciden presentarlos de forma cualitativa, como, por ejemplo, a través de un vídeo donde se observe lo que sucedió, a través de un informe escrito, etc. El uso de una tabla, que era lo que esperábamos, solo lo señala una pequeña proporción.

Orden

de las tarjetas

Cada grupo ordena las tarjetas de distinto modo. Las preguntas que inician el proceso de planificación en la mayoría de los grupos son: ¿qué material/equipamiento necesito para investigar la cuestión? y ¿qué voy a hacer (pasos a seguir) para investigar la cuestión?, es decir, eligen el material a utilizar y proponen el procedimiento a seguir sin identificar previamente qué es lo que va suceder en el problema.

La pregunta «¿Qué pienso que va a suceder?» la colocan generalmente hacia el final del proceso, ya que confunden la predicción con la interpretación de resultados. En el caso de los grupos que sitúan esta pregunta al inicio, todos indican que la bolsa de rafia

Hay que destacar que a la pregunta «¿Cuántas veces debo repetir cada prueba con cada bolsa para que esta sea fiable?», la mayoría señalan solo el número de veces de cada prueba, sin dar una justificación

sería la más resistente, excepto un grupo, que elige la bolsa de fécula de patata como la más adecuada por ser la de mayor resistencia y la que causa menor impacto en el medio ambiente. Se trata del único que atiende a criterios medioambientales en la elección de la mejor bolsa, probablemente debido a que no se hace hincapié sobre esto en el guion de la tarea ni en las preguntas de las tarjetas.

Las preguntas «¿Qué aspectos van a cambiar en cada prueba?» y «¿Qué aspectos necesito mantener constantes y cómo?» las ordenan indistintamente, ya que tienen dificultades para identificar la variable independiente y definir las variables dependientes. A veces, ambas coinciden, señalando el peso como variable dependiente e independiente al mismo tiempo.

La pregunta «¿Cómo voy a presentar los resultados de la investigación?» la sitúan todos al final, aunque algunos grupos se refieren a las conclusiones del estudio y otros, a los datos que obtendrían.

Nombre de las tarjetas

Los nombres que los participantes deben dar a cada tarjeta se resumen en la tabla 2.

2. Nombres asociados a cada pregunta relacionados con las partes de la planificación

Pregunta

¿Qué pienso que va a suceder?

¿Qué material/equipamiento necesito para investigar la cuestión?

¿Qué aspectos van a cambiar en cada prueba para cada bolsa?

¿Qué aspectos necesito mantener constantes y cómo?

¿Qué voy a hacer (pasos a seguir) para investigar la cuestión?

Nombre

Predicción/hipótesis

Material

Identificación de variables

Control de variables

Procedimiento

¿Cómo voy a medir la resistencia de las bolsas? ¿Cuál será la más resistente?Criterio de medida

¿Cuántas veces debo hacer la prueba para cada bolsa para que sea fiable? Reproducibilidad

¿Cómo voy a presentar los resultados de la investigación?

Presentación de resultados

Trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial

Tabla

Intercanvi / Recerca en didàctica de

Todos los grupos nombran correctamente la tarjeta con la pregunta sobre material y equipamiento necesario para investigar la cuestión. La pregunta «¿Qué va a suceder?» la identifican como hipótesis, a pesar de que algunos grupos no la entienden como una predicción previa al diseño, sino como resultados que obtendrían al realizar el experimento. En el caso de un grupo, denominan a este paso conclusión, en lugar de hipótesis. Queremos destacar que la mayoría utilizan los términos repetición y comprobación para referirse a la pregunta que tiene que ver con la reproducibilidad del experimento: ¿cuántas veces debo hacer la prueba para cada bolsa para que sea fiable? Cabe seguir investigando en los debates orales a qué se refieren con comprobación, ya que los informes escritos no nos permiten conocer este aspecto.

En cuanto a las preguntas «¿Qué aspectos van a cambiar en cada prueba para cada bolsa?» y «¿Qué aspectos necesito mantener constantes y cómo?», los participantes no son capaces de darles un nombre, probablemente debido a la falta de familiarización con la metodología científica.

Un ejemplo del proceso global de uno de los grupos se representa en la fig. 2.

En este ejemplo, los participantes elaboran el procedimiento de resolución de la tarea antes de formular la hipótesis de trabajo, siendo este muy poco detallado y preciso. A continuación, seleccionan el material necesario para resolver la tarea, considerando solo las bolsas y los materiales a introducir en ellas para comprobar la resistividad, a los que llaman medidas. Nos sorprende que no tengan en cuenta la necesidad de utilizar una balanza, cuando consideran como variable a mantener constante el «peso», además del tiempo y la forma de las bolsas. Además, cuando indican el número de veces que van a repetir cada medida, proponen realizarlas siete veces, aspecto que no tienen en cuenta para seleccionar el material, ya que solo deciden utilizar una bolsa de cada tipo. Estos resultados nos llevan a pensar que el alumnado no reflexiona sobre el conjunto de la investigación, sino que se limita a responder las preguntas por separado. Creemos que puede deberse a que los estudiantes eran conscientes desde el principio de

que no iban a poner en práctica la investigación. Consideramos que las respuestas a las preguntas serían más detalladas y precisas si tuviesen que llevar a cabo la puesta en práctica, aspecto que tenemos en cuenta para futuras investigaciones sobre este tema.

La tarea suscitó un gran interés, los participantes debatieron sus ideas dentro del grupo, respondieron a las preguntas solicitadas en las tarjetas y participaron activamente en la puesta en común

Conclusiones

La tarea suscitó un gran interés, los participantes debatieron sus ideas dentro del grupo, respondieron a las preguntas solicitadas en las tarjetas y participaron activamente en la puesta en común. Relacionamos estos resultados con el contexto de la tarea: la elección de la bolsa de la compra. Hay que señalar que, a pesar de que el problema a investigar despertó curiosidad entre los participantes, a la hora de elegir la mejor bolsa, solo un grupo tuvo en cuenta criterios medioambientales, además de la resistencia.

Los resultados muestran que la mayoría tiene dificultades para identificar algunas dimensiones que forman parte de la planificación de un diseño experimental. Existe confusión entre hipótesis y conclusiones, entre variables dependientes e independientes y entre la identificación de variables y el material necesario para llevar a cabo la investigación. Somos conscientes de las dificultades de la tarea, ya que es la primera vez que estos participan-

Figura 2. Resultados de uno de los grupos (respuestas y orden de las tarjetas).

tes cursan una materia de ciencias en su titulación y, además, la mayoría no cursó el bachillerato de ciencias. De todas maneras, nos interesaba dar a conocer cómo se construye el conocimiento científico y, al mismo tiempo, investigar cómo ponen en práctica este proceso y qué imagen tienen sobre el mismo los futuros maestros.

Sugerimos la realización de actividades prácticas sobre la construcción del conocimiento científico para promover el interés por las ciencias y sobre las ciencias, así como para ayudar a superar las dificultades por parte del profesorado en formación en la puesta en práctica de investigaciones. Introducir tareas de ciencias en las que el alumnado participe en las prácticas científicas y reflexione acerca de las dimensiones de la naturaleza de la ciencia (Crujeiras Pérez y Jiménez-Aleixandre, 2012) puede contribuir a mejorar la formación de maestros.

Agradecimientos

Este trabajo forma parte del proyecto EDU-2012-38022-C02-01, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. Nuestro agradecimiento al alumnado y al profesorado que participó en el estudio.

Referencias

aBD­el­khalick, F. (2012). «Examining the sources for our understandings about science. Enduring conflations and critical issues in research on nature of science in science education». International Journal of Science Education, vol. 34, n.º 3, p. 353-374.

cruJeiras pérez, B.; Jiménez­aleixanDre, M. P. (2012). «Participar en las prácticas científicas: aprender sobre la ciencia diseñando un experimento sobre pastas de dientes».

Alambique: Didáctica de las Ciencias Experimentales, n.º 72, p. 12-19.

Duschl, R. A. (1990). Restructuring science education: The importance of theories and their development Nueva York: Teachers College Press.

(2008). «Science education in three-part harmony. Balancing conceptual, epistemic and social learning goals». Review of Research in Education, vol. 32, n.º 1, p. 268-291.

Duschl, R. A.; granDy, R. E. (2013). «Two views about explicitly teaching nature of science». Science & Education, n.º 22, p. 2109-2139.

gil, D. (1993). «Contribución de la historia y filosofía de las ciencias al desarrollo de un modelo de enseñanza/apren-

Beatriz Crujeiras Pérez

Es licenciada en Química y profesora interina en la Facultad de Formación del Profesorado de la Universidade de Santiago de Compostela (USC, Campus de Lugo). Está finalizando su tesis doctoral sobre competencias y prácticas científicas en el laboratorio de química de secundaria, financiada en gran parte por una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad. Imparte docencia en el grado en Primaria y en el máster de Formación de Profesorado de Secundaria. Es investigadora del grupo RODA (Razonamiento, Discurso, Argumentación) de la USC y coautora de publicaciones sobre competencias y prácticas científicas. Participa en actividades de formación del profesorado de ciencias de secundaria sobre competencias científicas en el aula. C. e.: beatriz.crujeiras@usc.es

dizaje como investigación». Enseñanza de las Ciencias, n.º 11, p. 197-212.

guisasola, J.; morentin, M. (2007). «¿Comprenden la naturaleza de la ciencia los futuros maestros y maestras de educación primaria?». Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, vol. 6, n.º 2, p. 246-262.

kelly, G. J. (2008). «Inquiry, activity and epistemic practice». En: Duschl, R. A.; granDy, R. E. (ed.). Teaching scientific inquiry. Rotterdam: Sense Publishers, p. 99-117.

leDerman, N. G. (1992). «Students’ and teachers’ conceptions of the nature of science. A review of the research». Journal of Research in Science Teaching, n.º 29, p. 331-359.

Blanca Puig Mauriz Es licenciada en Biología y doctora en Didáctica de las Ciencias por la Universidade de Santiago de Compostela (USC). Es profesora en el Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais de la Facultad de Ciencias de la Educación de la USC. Imparte docencia en el grado en Primaria y en el máster de Formación de Profesorado de Secundaria. Es investigadora del grupo RODA (Razonamiento, Discurso, Argumentación) de la USC y coautora de publicaciones científicas sobre las competencias científicas de argumentación y uso de pruebas. Participa en actividades de formación del profesorado de ciencias de secundaria sobre competencias científicas en el aula.

C. e.: blanca.puig@usc.es

Trabajar la naturaleza de la ciencia en la formación inicial

Intercanvi / Recerca en didàctica de

100 molècules amb què la química ha canviat (poc o molt)

Xavier Duran

Valls: Cossetània, 2013

100 molècules amb què la química ha canviat (poc o molt) la història és un llibre de Cossetània, dins la col·lecció «De Cent en Cent», igual que altres llibres com 100 preguntes de física, 100 qüestions d’astronomia i 100 controvèrsies de la biologia, entre d’altres. En paraules del mateix autor, és un llibre que se centra, més que a descriure les molècules, a destacar el seu paper en la història, és a dir, explica la història tot ressaltant el paper d’unes molècules sense les quals molts fets no s’haurien produït o haurien estat sensiblement diferents. No pretén demostrar que la química, per si sola, hagi canviat gairebé res, però sí cridar l’atenció sobre el seu impacte social i la seva influència en determinats episodis.

El llibre està organitzat en cent capítols, un per a cada molècula. L’autor ha escollit tant molècules que han tingut un paper força conegut i gran impacte en la història, per exemple, per haver permès lluitar contra certes malalties, com altres molècules amb un paper històric menys conegut, com el de la glucosa o l’àcid ascòrbic en l’expansió colonial o la influència del cautxú sintètic en la Segona Guerra Mundial. El mateix autor exposa que la tria de les cent molècules, en alguns casos, no ha estat fàcil, i que es pot haver deixat fora de la selecció alguna molècula significativa des del punt de vista de la influència en el desenvolupament dels fets. Pretén que el llibre ajudi a comprendre no només la química com a ciència, sinó també com un agent social i històric més.

En el llibre es parla de molècules petites, com l’hidrogen, l’oxigen, el diòxid de carboni o l’amoníac, i també d’altres molt complexes, com l’ADN, l’ARN, la clorofil·la, l’hemoglobina, etc., entorn de les quals fa una descripció de l’important paper que tenen en la vida i com es dugueren a terme els seus descobriments. Un elevat nombre de molècules escollides són molècules de compostos orgànics de les quals s’expliquen detalls sobre el seu descobriment, síntesi i aplicacions.

També es parla de macromolècules com la cel·lulosa, que s’obtenia de les plantes, en concret, de les de cotó, i que a causa de la necessitat de mà d’obra dura per a la seva recol·lecció va comportar tràfic d’esclaus als EUA. Es descriuen també les aplicacions dels polímers sintètics, com el PVC i el PET, que són múltiples i variades, però que comporten problemes de residus, si no s’incorporen processos de reciclatge o aprofitament energètic.

No podien quedar fora del recull algunes molècules que han estat presents en mitjans de comunicació pel fet d’estar relacionades amb problemàtiques mediambientals. És el cas dels clorofluorocarburs (CFC), que durant dècades van tenir un gran protagonisme pels seus usos

la història

i que es van relacionar posteriorment amb la destrucció de la capa d’ozó de l’estratosfera. El DDT, un insecticida molt efectiu contra els mosquits que transmeten la malària, es va aplicar a diversos països amb aquesta o altres finalitats i va afectar la salut humana i el medi natural.

Pel seu impacte en la salut i la societat, les molècules de medicaments tenen força presència en el llibre. Entre elles, trobem l’àcid acetilsalicílic (aspirina), probablement el fàrmac més popular i utilitzat de la història. I també l’àcid ascòrbic, o vitamina C, anomenat així precisament perquè combatia l’escorbut i que va ser la causa que la Marina britànica agafés avantatge sobre d’altres que no havien adoptat el sistema de fer prendre suc de llimona a la tripulació.

També s’hi troben algunes molècules de medicaments neurolèptics, com la clorpromazina, que és el primer dels fàrmacs contra l’esquizofrènia, els quals van comportar que milers de persones que havien de viure recloses en manicomis poguessin ser medicades i portar una vida relativament normal. Alguns d’aquests fàrmacs han estat utilitzats amb força èxit en casos de depressió, com la fluoxetina (Prozac), anomenada píndola de la felicitat

Hi ha algunes substàncies de les quals el llibre fa esment i que no estan formades per molècules, com ara el carbonat de plom, el nitrat de potassi, el clorur de plata o el clorur de radi. Són compostos iònics, i aquest fet es podria aprofitar per destacar que no tot està fet de molècules, una idea que moltes vegades tenen alguns estudiants. El carbonat de plom, anomenat blanc de plom, ja l’obtenien els egipcis per mitjà de reaccions químiques. El nitrat de potassi, o salnitre, és un ingredient per preparar pólvora. El clorur de plata és una substància clau en la fotografia, un exemple de com la ciència va permetre el desenvolupament d’una tècnica que comportà nombrosos impactes socials. La radioactivitat del clorur de radi va ocasionar greus problemes de salut a l’inici, a causa del desconeixement dels riscos que presentava.

Podem concloure que es tracta d’un text que podria ser recomanat com a lectura per als alumnes de secundària, amb la finalitat de fer palesos alguns aspectes de construcció del coneixement científic i la rellevància dels avenços en química i el seu impacte en la societat. Proporciona contextos que poden ser emprats per donar significat a l’aprenentatge de la química i caldria que el professorat incidís en alguns aspectes conceptuals que ajudessin a la diferenciació entre substàncies moleculars i no moleculars.

És un llibre de lectura recomanada per al professorat de química, ja que, sens dubte, proporciona una visió global de l’impacte dels descobriments i els avenços en l’àmbit de la química i, si més no, és recomanada la seva consulta per trobar exemples i explicacions al voltant de substàncies que vinculen la química amb la societat i que porten a conèixer detalls sobre la seva incidència i relació amb fets històrics.

Fina Guitart Societat Catalana de Química

NORMES DE PUBLICACIÓ

Preparació dels manuscrits

Els articles han de fer referència a qualsevol dels temes de les seccions de la revista per a qualsevol nivell d’educació, des de primària fins a l’educació universitària. Han de ser inèdits i han d’estar escrits en català, tot i que també es publicaran articles en castellà, francès, portuguès, italià i anglès, si l’autoria és de persones de fora de l’àmbit de la llengua catalana.

Els treballs han de tenir una extensió màxima de 25.000 caràcters sense espais i han de ser escrits amb un espaiat d’1,5 i han de tenir el nombre de caràcters amb espais especificat en cadascuna de les seccions de la revista. El text ha d’estar en format Microsoft Word i lletra Times New Roman de cos 12.

La primera pàgina ha de contenir el títol del treball, el nom o noms dels autors i el centre o centres de treball, un resum de 500 caràcters (incloent-hi espais) i cinc paraules clau. El títol, el resum i les paraules clau han d’anar seguits de la seva versió en anglès. Cal enviar també l’adreça postal dels autors o la del centre de treball per poder enviar-los el número de la revista en què han participat.

Els articles han d’anar acompanyats de fotografies i imatges en color que il·lustrin el contingut del text. L’article haurà de contenir fotografies en color del treball a l’aula, dels muntatges dels experiments o altres fotografies relacionades amb el contingut. També han de contenir gràfics, esquemes, dibuixos i treballs o produccions dels alumnes que il·lustrin i facin més comprensible el contingut del text. Les il·lustracions han de portar títol (peu d’imatge) i cal indicar on cal situar-les dins l’article. Les fotografies i imatges s'han d'enviar en arxius separats en format .tif o .jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada) i, si es tracta de gràfics, en Excel o Corel Draw.

L’article ha d’estar estructurat en diferents apartats. Els autors han de seguir les normes recomanades per la IUPAC a l’hora d’anomenar els composts químics i utilitzar el sistema internacional d’unitats. És convenient el fet d’assenyalar 3 o 4 frases de l’article que es destacaran amb una lletra més gran i de color en l’article maquetat.

Les referències bibliogràfiques han d’anar al final del text, escrites com els exemples següents:

Per a llibres:

VILCHES, A.; GIL, D.(2003). Construyamos un futuro sostenible: Diálogos de supervivencia. Madrid: Cambridge University Press. Citació en el text: (Viches i Gil, 1994).

Per a articles:

SARDÀ, A.; SANMARTÍ, N.(2000). «Ensenyar a argumentar científicament: un repte de les classes de ciències». Enseñanza de las Ciencias, vol. 18, núm. 3, p. 405-422. Citació en el text: (Sardà i Sanmartí, 2000).

Per a documents digitals (webs): OCDE (2006). PISA 2006: Marco de la evaluación. Conocimientos y habilidades en Ciencias, Matemáticas y Lectura [en línia]. París: OCDE. <http://www.oecd.org/dataoecd/59/2/39732471.pdf> [Consulta: 11 setembre 2013].

Per a altres exemples, consulteu un número recent de la revista.

Al final de l’article ha de constar una breu ressenya professional i una fotografia de les persones autores de l’article. Cada ressenya ha de contenir el nom i cognoms, càrrec, centre de treball, camp principal en el qual desenvolupa la seva tasca i correu electrònic (màxim de 400 caràcters amb espais). Cal enviar els arxius de les fotografies de carnet dels autors en format .tif o .jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada).

Enviament d’articles

Els articles han de ser enviats per correu electrònic a l’adreça següent: EduQ@iec.cat Revisió dels articles

Els articles seran revisats per tres experts. Els articles revisats i enviats als autors hauran de ser retornats als editors en el termini màxim de 10 dies. Sempre que sigui possible, les proves de maquetació seran enviades als autors abans de la seva publicació.

SECCIONS

ACTUALITZACIÓ DE CONTINGUTS

Articles que revisen i posen al dia continguts propis de la disciplina o en relació a altres àmbits del coneixement, i que faciliten i promouen un ensenyament actualitzat de la química.

APRENENTATGE DE CONCEPTES I MODELS

Articles que tracten sobre conceptes i models químics, des del punt de vista de les concepcions alternatives dels alumnes i les dificultats d’aprenentatge conceptuals, així com les estratègies didàctiques per a l’elaboració i l’aplicació dels models químics a l’aula.

CURRÍCULUM, PROJECTES I UNITATS

Presentació i anàlisi dels currículums de química de diferents països, de projectes curriculars i unitats i seqüències didàctiques.

DIVULGACIÓ DE LA QUÍMICA

Articles que presenten temes d’actualitat química amb caràcter divulgatiu i que posen de manifest les relacions de la química amb la societat i altres àmbits del coneixement o bé presenten activitats i experiències de caire divulgador de la química adreçades a l’alumnat o al públic en general.

ESTRATÈGIES DIDÀCTIQUES

Presentació i anàlisi d’enfocaments i estratègies didàctiques per a l’ensenyament i l’aprenentatge de la química: modelització, indagació, resolució de problemes, treball cooperatiu, avaluació, etc.

FORMACIÓ DEL PROFESSORAT

Propostes i investigacions sobre la formació inicial i en actiu del professorat de química i ciències en general que contribueixin al seu desenvolupament professional.

HISTÒRIA

I NATURALESA DE LA QUÍMICA

Articles sobre la història i la naturalesa de la química i sobre l’interès didàctic d’aquestes disciplines en l’ensenyament de la química. Activitats per treballar aspectes de la naturalesa de la ciència.

INNOVACIÓ A L’AULA

Articles que descriuen la planificació i l’experimentació a l’aula d’experiències didàctiques de caràcter innovador. La secció pretén ser un espai per compartir experiències d’aula.

LLENGUATGE, TERMINOLOGIA I COMUNICACIÓ

Articles relacionats amb l’aprenentatge de les habilitats comunicatives (llegir, escriure i parlar) en relació amb l’aprenentatge de la química. I també sobre el llenguatge i la terminologia científics.

NOVES TECNOLOGIES

Articles relacionats amb la utilització de les noves tecnologies en l’ensenyament de la química: simulacions, ús d’Internet, mitjans audiovisuals, laboratoris virtuals, experiències amb equips de captació de dades, etc.

QUÍMICA

EN CONTEXT

Articles que presenten contextos rellevants –de la vida quotidiana, tecnològics, industrials, socials, mediambientals, de salut o culturals– que puguin ser presos com a punt de partida per a un ensenyament de la química en context i per promoure l’alfabetització científica.

QUÍMICA, EDUCACIÓ AMBIENTAL I SOSTENIBILITAT

Articles que facin palesa l’estreta de relació entre la química i els aspectes del medi ambient, i temàtiques mediambientals d’actualitat des d’una vessant química, així com propostes educatives per a la sostenibilitat

RECERCA EN DIDÀCTICA DE LA QUÍMICA

Articles que difonguin investigacions didàctiques d’utilitat per a la millora de l’ensenyament de la química. Descripció i resultats d’experiències didàctiques que hagin estat avaluades de forma qualitativa o quantitativa.

RECURSOS DIDÀCTICS

Articles que presentin qualsevol tipus de recurs i material didàctic per a l’ensenyament de la química. Poden incloure, entre d’altres, audiovisuals, jocs, visites, textos dels mitjans de comunicació, etc.

TREBALL EXPERIMENTAL

Articles sobre diferents tipus de treballs pràctics experimentals: demostracions, experiències interpretatives, aprenentatge de tècniques, investigacions, etc.

TREBALLS DE RECERCA DELS ALUMNES

Articles descriptius de treballs de recerca dels alumnes dins l’àmbit de la química. En aquesta secció, els alumnes són els autèntics protagonistes.

Properesmonografies

Divulgaciódelaquímica

L’àtom

Químicaencontext