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Formación continuada del profesorado de Ciencias.
Una experiencia en Centroamérica y El Caribe

2.22. Investigación científica

Mario Meza (Panamá)

Índice

Introducción

El estudio de la investigación científica no es exclusivamente de nuestro siglo, ya que se remonta a los tiempos de Galileo en donde este gran científico utilizo lo que se llamó por mucho tiempo, "Método Científico". La Investigación Científica es un procedimiento que utilizan las personas de ciencias para comprobar hipótesis, solucionar problemas, formular teorías, etc.

No hay una investigación científica que sea común para todas las ciencias, pero como se aborda la resolución de problemas va ha depender del fenómeno estudiado. Todo investigador o científico debe tener en cuenta en su investigación; detectar el problema, formular hipótesis, tener una recolección de datos para contrastar la hipótesis que lo llevará a la conducción de la solución del problema y aumentará el conocimiento científico el cual incide en la sociedad.

En cuarto año de ciencias (IV año) la investigación científica se da en el primer bimestre, donde se desarrolla el tema. En este tema se estudia la interrelación que tiene la investigación en otras áreas de las Ciencias Naturales, como en las Ciencias Sociales. Está Unidad Didáctica debe desarrollar cada uno de los tópicos en grupo de 4 o 5 estudiantes o como estime el docente. Mediante la misma se persigue conseguir que los estudiantes sean capaces de:

1. Ejemplos de investigación

La ciencia es un tema que se han ocupado de filósofos y pensadores desde tiempos remotos, esta es un estudio acerca de todos los fenómenos que le rodean, por lo tanto demostraremos que la ciencia es la creación humana.

Actividad 1. ¿Cómo la ciencia se ha apoyado en el Cuerpo de Conocimientos Científicos?

Comentario 1. Con esta actividad los estudiantes harán una investigación bibliográfica de las diferentes épocas y de las ideas de los científicos y sus aportes que ayudaron a formar el cuerpo de conocimientos. Así ellos se irán dando cuenta como el cuerpo de conocimiento se fue formando a través de la historia y que gracias a ese cuerpo de conocimientos a dado lugar a otras investigaciones.
Ellos partirán desde que el hombre formó las primeras sociedades hasta el año uno de la era cristiana, los otros grupos pueden ser; del año 1 al año quinientos, del año quinientos uno al mil, del año mil uno al mil trescientos, del año mil trescientos uno al mil seiscientos, así sucesivamente hasta nuestros días, esta separación puede ser flexible, estar de acuerdo a los grupos y del facilitador. Esta forma de agruparlos es flexible y va de acuerdo al docente y la cantidad de estudiantes en el salón.
Cada grupo ideará un drama de acuerdo a la iniciativa de los estudiantes del grupo, en donde resaltarán los nombres de los investigadores y sus inventos o descubrimientos más importantes en su incidencia de la humanidad que fueron la base para otras investigaciones. Como el caso de la fabricación de perfumes, cosméticos, por los antiguos egipcios. Explicación de la constitución íntima de la materia por Demócrito y Leucipo, etc.
Los estudiantes desarrollarán mejor su comprensión hacia las ciencias Naturales participando y poniendo en práctica sus conocimientos adquiridos en el transcurso de su vida escolar. De esta forma ponen en juego la claridad de los fenómenos, la capacidad organizativa y las habilidades técnicas que poseen al demostrar un fenómeno, actividad o un proyecto.

A.2. ¿Qué actividades han realizado o realizan Uds. donde se aplica el trabajo científico?

C.2. Esta actividad es para que los estudiantes en grupo lleven propuestas y/o demuestren experiencias cotidianas o las que investigaron en la actividad anterior. Con esta actividad se pretende que los estudiantes relacionen actividades cotidianas con las ciencias. Para ello emplearemos un laboratorio (si fuera necesario) además no se trata que hagan experiencias elaboradas sino sencillas y cortas que no demoren más de 8 a 10 minutos en su presentación. Algunos grupos presentarán frotar una regla de plástico y levantarán papeles, relacionar la presión y volumen que se conoce como "El submarino", poner un vaso sobre una vela encendida, etc.
Después de la presentación de los grupos debatirán los tipos de experimentos y a qué rama de las ciencias naturales pertenece, fundamentando por qué la relaciona con la ciencia.
Los científicos son las personas que realizan esta actividad investigadora para lo cual es importante que posean una serie de cualidades, atributos y habilidades.

A.3. ¿Qué atributos o cualidades conviene que posean la mayoría de los científicos?

C.3. La realización de está actividad es para que el estudiante extraiga los atributos y habilidades que poseen los científicos para realizar sus investigaciones. Para realizar esta actividad los estudiantes leerán los cuatros primeros capítulos del libro de "Cazadores de microbios" para mencionar los atributos de los científicos u otro libro o vídeo similar. En esta actividad es importante darle a los estudiantes la siguiente guía:

A.4. ¿En qué aspectos beneficiosos coinciden, cuáles no y por qué?

C.4. En esta actividad los estudiantes expondrán los atributos que poseen los científicos para entrar en una discusión de los aspectos que tienen en común entre ellos. También tendrán en cuenta aquellos aspectos o atributos que se diferencian o son negativos.

En el trabajo científico la formulación de un problema suele ir acompañado de conjeturas o posibles respuestas a ese problema. Dichas conjeturas se le denomina hipótesis científica, cuando son acorde al cuerpo de conocimiento científico.

A.5. ¿Qué factores pueden influir en la tasa respiratoria de un pez? ¿Cómo comprobarlo?

C.5. Con está actividad los estudiantes formularán hipótesis de trabajo y nula del efecto de la temperatura y la tasa respiratoria del pez. Para ello se necesitará un sistema de acuario en el que debe contar con un pez y un termómetro adherido la pared interna del acuario. Observarán las veces que abre el opérculo a temperatura ambiente por un minuto. Agregaran trocitos de hielo a la pecera, medirán la temperatura y contaran las veces que el pez abre el opérculo por un minuto repetirán el procedimiento anterior unas 6 veces, después que agreguen más hielo y el pez tenga una adaptación. Con los datos harán una tabla para confrontar las hipótesis de los grupos.

A.6. ¿Cómo se han formado las islas de coral?

C.6. Se les proveerá a los estudiantes la información dada por el docente, de los viajes de Charles Darwin hacia las islas de coral, también se puede dar diferentes tipos de fotografías de las islas y atolones. En este apartado no se pretende que los estudiantes sepan la historia de los corales y detalles del viaje de Darwin, si no que emitan hipótesis sobre un problema científico. Para ello se emplea la técnica del papelógrafo (o cartulina) en discutir y toma de decisión de la hipótesis que este de acuerdo al problema.
Unas de las formas que los estudiantes no perciben la recolección de datos es por los sentidos, siendo una de las formas que se usa en la recolección de información, la cual puede plantear hipótesis y utilizar un razonamiento deductivo como inductivo. El método (inducción-deducción) es ampliamente aplicado en todas las ramas de la ciencia, y está implícito en los demás métodos. El método inducción-deducción relaciona una ley general con hechos particulares; es deductivo en un sentido (de lo general a lo particular) y es inductivo en sentido contrario (de lo particular a lo general). Por tal razón, estas formas de inferencia (inducción-deducción) se emplean juntas y son mutuamente complementarias.

A.7. ¿Todos los sólidos se dilatan al calentarse y al enfriarse?

C.7. Los estudiantes deben llevar o proveerles varias arandelas de diferentes materiales (cobre, hierro, acero, u de otro mineral), las que deben pasar justamente por la boca de una botella. Estas arandelas las pondrán directamente al calor y observarán si pasan por la botella, enfriarán las arandelas y observarán nuevamente si pasan por la botella. Se debe aclarar que hay excepciones como el agua al cambiar de estado. Aquí se les debe pedir que tipo de hipótesis se puede plantear ya sea inductiva o deductiva con respecto a lo que observaron y discutir para ver sí concuerdan o no con las hipótesis.

A.8. ¿Los sólidos conducen el calor?

C.8. Se debe tener una vasija con agua caliente y colocar diferentes objetos de metal y lo deben dejar por un período de tiempo y después tomarlo, ¿qué sientes? Qué tipos de hipótesis puedes enunciar con respecto a los sólidos y al calor.

A.9. Proponer el diseño experimental para comprobar si el sonido tarda tiempo en transmitirse

C.9. Se debe tener una manguera de jardín vacía de unos 30 m de largo o más, se debe formar una curva y que los extremos se encuentren cercanos entre sí. Los estudiantes pondrán el oído en unos de los extremos, mientras en el otro extremo golpean la porción metálica con un lápiz. Se deben oír dos golpes: uno a través del aire libre y el otro a través del aire atrapado en la manguera. Se debe incitar a la discusión y experiencias que el sonido necesita tiempo para moverse a lo largo de una distancia.

A.10. ¿Todos los líquidos los sentimos de la misma forma?

C.10. Se utilizan varios líquidos en diferentes vasijas como; agua, miel, bebidas, alcohol, agua oxigenada, mieles, champú. Donde introducirán los dedos y describirán lo que sienten, ellos mencionaran varios términos como, pegajoso, húmedo, resbaloso.

La realización de una misma actividad como el lanzamiento de monedas nos lleva a la formulación de hipótesis, como la creación de la organización de datos los cuales podemos graficar.

A.11. Al tirar cincuenta (50) veces, veinticinco (25) monedas. ¿Cuántas veces crees que saldrán caras y sellos?

C.11. Esta actividad servirá para que se hagan la pregunta de las veces que veces que va ha salir cara y sello, además plantear la forma de organizar los datos obtenidos. El tiraje de la moneda dependerá del tiempo que el docente tenga.

A.12. ¿Qué relación hay entre el número de caras y el número de lanzamientos?

C.12. Deberán formular la gráfica que demuestre la relación y observarán el número de fluctuaciones que ocurre al azar.

A.13. ¿Qué relación hay entre la frecuencia y el número de caras?

C.13. Con esto ellos podrán construir una gráfica y a la vez un histograma, donde podrán observar la forma de la curva. No es el propósito de estas actividades que el estudiante trabaje como científico, sólo se quiere dar a conocer para que empiece a familiarizarse con él y pueda aplicarlo sin dificultad en sus trabajos.

Ejemplos de investigación

1.1. Descubrimiento de los Rayos X

A.14. ¿Cuál es el problema?

A mediados del siglo XIX se descubrió que al aplicar una diferencia de potencial entre dos placas, colocadas dentro de una ampolla o tubo de vidrio "vacío" (supuestamente sin ninguna molécula dentro), se producía una descarga eléctrica. Debido a lo imperfecto de las bombas de vacío disponibles, quedaban muchos iones y electrones en el interior de la ampolla (llamado gas residual), los que conducían la descarga eléctrica. Si se agujeraba la placa positiva (ánodo), era atravesada por el haz proveniente de la placa negativa (cátodo) que, al incidir sobre el vidrio de la ampolla, le inducía una fluorescencia verde. Por muchos años se investigaron las propiedades del haz provenientes del cátodo, y cuando se descubrió que se propagaban en línea recta, se les llamó rayos catódicos. En la actualidad sabemos que dichos rayos son electrones acelerados por el campo eléctrico entre las placas (cátodo-ánodo); pero la evidencia para determinarlo se colectó poco a poco.

En 1892, Hertz descubrió que los rayos catódicos podían atravesar placas metálicas delgadas, lo que favorecía la interpretación ondulatoria de su propagación; tal descubrimiento dio lugar a que varios laboratorios trabajaran simultáneamente en relación con las propiedades de las descargas en gases.

En 1895, W. Röntgen trabajaba en uno de esos laboratorios y por "casualidad" observo que una sustancia, colocada en uno de los estantes, brillaba débilmente cuando se producía la descarga eléctrica dentro del tubo vacío. La sustancia era platino- cianuro de bario, que tiene la propiedad de transformar la energía de radiación invisible al ojo humano en luz visible, fenómeno llamado fluorescencia. Dicha propiedad se usa mucho en las discotecas modernas al iluminar con este tipo de luz la pista de baile, para que la telas que contengan sustancias fluorescentes, brillen con aspecto fantasmal.

En aquella época ya era conocido el fenómeno de fluorescencia y se sabía que la luz del Sol y las lámparas de arco que emitían luz ultravioleta; con estos conocimientos y la observación de que el platino-cianuro de bario era fluorescente al producirse la descarga eléctrica en el tubo, Röntgen se planteó la siguiente pregunta: ¿La fluorescencia del platino-cianuro de bario de debe a la emisión de la luz ultravioleta producida por la descarga eléctrica en el tubo, o es un efecto nuevo del fenómeno de fluorescencia?

Comentario. A.14. En esta actividad se les pedirá a los estudiantes que lean la información anterior sobre el descubrimiento de los rayos X para que trabajen en grupo con el fin de determinar y formular con claridad el problema planteado en el texto.

A.15. Proponga una hipótesis

C.15. En la formulación de la hipótesis se les debe guiar ya que esta no es tarea fácil, se piensa que es una posible solución al problema, se debe involucrar las variables del fenómeno, ya sean cualitativas o cuantitativas.

A.16. ¿Cuáles son las variables que utilizó Röntgen en el experimento?

C.16. Lo importante de esta actividad saber identificar las variables con las cuales se trabaja en una secuencia de una experimentación.

A.17. ¿El diseño experimental utilizado fue cualitativo o cuantitativo?

C.17. Con está actividad se debe diferenciar el tipo de diseño experimental, donde no hay valores, ni tablas que representen, se debe fundamentar la razón que escoge el diseño experimental.

A.18. ¿A qué conclusiones se llegó?

C.18. Es importante que los grupos sepan extraer conclusiones de un trabajo. De esta forma se empieza aplicar un criterio científico para aceptar o rechazar una hipótesis, también es posible que se hagan conjeturas.

A.19. ¿Qué beneficios tiene el desarrollo de este experimento a la sociedad?

C.19. Con está actividad nos permitirá qué los estudiantes conozcan los alcances que ha tenido esta investigación en los diferentes campos de la ciencias, además permitirá que de este descubrimiento han dado pasos a otros problemas.

1.2. Síntesis del amoniaco a partir de sus elementos. (Opcional)

A.20. ¿Cuál es el problema?

El desarrollo de la agricultura intensiva requiere del empleo masivo de fertilizantes cuya producción se basa en compuestos nitrogenados, debido a que las plantas necesitan del nitrógeno para su desarrollo ya que no son capaces de fijarlo directamente del aire que lo contiene en gran cantidad.

La principal fuente de nitrato de sodio se encontraba en Chile, pero su explotación intensiva no sólo ponía en peligro el abastecimiento de este compuesto nitrogenado, sino que además, calculaban que se acabaría en pocos años. Si tal situación se presentara, sería funesta tanto para el desarrollo de la agricultura como para la producción de explosivos donde también se utilizaba. El problema que se presentaba entonces consistía en sintetiza algún otro compuesto nitrogenado a partir de elementos abundantes en la naturaleza, de los cuales el más visible era el amoniaco. Fue F. Haber, en 1904, quien comenzó a investigar sobre este problema que consistía en: Obtener amoniaco (NH3) a partir de hidrógeno y nitrógeno gaseoso.

Encontrar la solución, además de la aplicación inmediata que ya era una necesidad urgente, tenia un interés básico en el estudio del equilibrio y la cinética de reacciones. Así que principió por la búsqueda bibliográfica. La revisión bibliográfica le mostró que la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno, era inducida por varias formas de descarga eléctrica, con un consumo enorme de energía eléctrica. También se usaba combinar el nitrógeno con otros elementos, para que al hidrolizar el compuesto, se formara amoniaco.

Se sabía que, en la naturaleza, los rayos de las tormentas combinan el nitrógeno y el oxígeno (óxido nitroso NO2), compuesto que es arrastrado a la tierra , por el agua de lluvia, proporcionando así los compuestos nitrogenados necesarios para las plantas. A la acción fijadora del nitrógeno por medio de las descargas eléctricas, se suma la acción de las bacterias del suelo, ya sean libres en la tierra o en los nódulos de las raíces de algunas plantas capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Industrialmente se obtenía como subproducto de la producción de carbón (alrededor del 1% era nitrógeno fijo): pero la demanda, estimada en millones de toneladas por año, hacía impracticable procesar el carbón sólo par obtener su nitrógeno.

Los agricultores utilizaban la cianamida cálcica, obtenida haciendo reaccionar el nitrógeno con carburo de calcio, la cual a su vez se obtenía a partir de cal y carbón en un arco eléctrico. La cianamida cálcica libre amoniaco al combinarse con el agua de riego.

Otra posibilidad explotada comercialmente era la formación de óxido nítrico a partir del nitrógeno y oxígeno del aire, combinado mediante descarga eléctrica. El óxido nítrico se obtenía de una reacción espontánea entre el nitrógeno y el hidrógeno, pero las pruebas hechas para provocarla aplicando presión, calor o acción catalítica de esponja de platino, no habían producido el efecto buscado. Haber llegó a la conclusión de que la fuente de nitrógeno debía ser la atmósfera, ya que abunda en el aire, y que su uso como fertilizante requería que el compuesto formado fuera amoniaco o ácido nítrico; sin embargo, todos los procesos conocidos eran caros energéticamente, lo que encarecía el producto final. Haber pensaba que combinar nitrógeno e hidrógeno debía ser una reacción exotérmica; es decir, que genera calor, calor que a su vez podría utilizarse para mantener la temperatura adecuada de la reacción. El problema del costo de producción sería un problema típico de tecnología, el cual podría atacarse por dos caminos: bien optimizando los parámetro involucrados en la reacción, o buscar reacciones nuevas. Intentó ambos caminos, pero empezó por reinvestigar la combinación directa de nitrógeno e hidrógeno, de manera que su problema se reducía a investigar las condiciones de equilibrio de la reacción: N2+3H2<=>2NH3

C.21. En esta actividad los estudiantes determinaran el problema en grupo lo cual discutirán

A.22. Proponga una hipótesis

C.22. En esta actividad se debe formular hipótesis, lo cual se debe incitar a los estudiantes a discutir cual es la hipótesis más aceptada.

A.23. ¿Qué variables utilizó Haber en el experimento?

C.23. En grupo deben determinar las variables que hay en el experimento.

A.24. ¿Qué tipo de diseño experimental utilizó Haber en su experimento?

C.24. Deben precisar el tipo de diseño experimental que se ha empleado.

A.25. ¿Cuáles fueron las conclusiones de su experimento?

C.25. Es importante que se sepan extraer conclusiones de un trabajo científico. De esta forma se empieza aplicar un criterio científico.

A.26. ¿Qué beneficios tiene el desarrollo de este experimento en la sociedad?

C.26. Con esta investigación bibliográfica se podrán dar cuenta los beneficios en todos los campos de las ciencias, trayendo como resultado, planteamiento de otros problemas y así aumentando el cuerpo de conocimientos.

2. Propuesta de investigación.

Investigue un problema en su comunidad ¿cómo lo plantearía? ¿Qué hipótesis tendría problema? ¿Cuáles son sus variables? ¿Qué diseño experimental usaría en la solución de su problema? ¿A qué conclusiones llegaría con su problema? ¿Tendría un beneficio la solución del problema a su comunidad?

Comentario. Con esta actividad proyecto emplearán los conocimientos adquiridos en una investigación en beneficio a su comunidad de vecinos del barrio.

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