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Capítulo 2

Las concepciones alternativas de los estudiantes y su relación con las bases neurobiológicas del aprendizaje

Martina Valencia4 y Dirk Krüger5

Resumen

Este capítulo provee de una aproximación teórica a la naturaleza de las concepciones alternativas de los estudiantes de biología. Se explicita la relevancia de contemplar estas concepciones en el proceso de enseñanza, planteando estrategias para desarrollarlas adecuadamente. También analizamos los enfoques teóricos —a nuestro parecer los más importantes— contextualizados en un ambiente constructivista, así como los aspectos teóricos del cambio conceptual. Por otra parte, y porque es estrecha su relación con el origen y la transformación de las concepciones, a lo largo del capítulo se presentan aproximaciones y conexiones a las bases neurobiológicas y a los factores que influyen en el aprendizaje, principalmente a la neurobiología subyacente al cambio conceptual.

1. Introducción

¿Qué es aprender? Aprender es tomar, atrapar con el pensamiento: llevarse una porción de la realidad y un modelo de la estructura del mundo. Es decir, el aprendizaje permite que el cerebro atrape una porción de la realidad que antes le era ajena y la use para construir una nueva representación del mundo, un modelo interno del mundo exterior (Dehaene, 2019). Entonces, nuestro cerebro es portador de miles de modelos internos que equivalen a maquetas o modelos a escala, más o menos fieles a la realidad que representan.

Desde una perspectiva biológica, el aprendizaje es un proceso fundamental para la supervivencia de cada persona, puesto que el equipamiento innato dotado genéticamente con el que hemos llegado a este mundo no es suficiente para proporcionar los conocimientos que nos permitan sobrevivir y reproducirnos en un ambiente específico (Buzsaki, 2013). Por ejemplo, tenemos en nuestro cerebro un plano de nuestro barrio, un mapa mental de nuestra casa, del trayecto que usamos frecuentemente; incluso podemos cerrar los ojos y verlos con el pensamiento. Por supuesto, nadie nació con ese mapa mental, sino que cada cual tuvo que adquirirlo mediante el aprendizaje, lo que a fin de cuentas nos permite, entre varias cosas, optimizar el tiempo, no extraviarnos y garantizar nuestra seguridad, aspectos inherentes a nuestro sistema de supervivencia.

A los procesos neurobiológicos del aprendizaje subyacen facultades cerebrales de orden superior cuyo principal objetivo es procesar la información proveniente del entorno y del propio organismo, almacenarla en centros de procesamiento de modo de poder recuperarla cuando sea necesario y utilizarla en el cumplimiento de metas. Ese proceso, además, incorpora hábitos, actitudes e intencionalidades, que finalmente se manifiestan en cada individuo como conceptos, visiones, representaciones, tanto de la realidad como de sí mismo, y habilidades que pueden conllevar a una vida próspera y socialmente bien integrada (Lavados, 2012).

El aprendizaje es altamente dinámico; se desarrolla desde el último período prenatal hasta la vejez, en la cual la plasticidad inherente a su diseño permite que siempre se estén procesando nuevas experiencias, las que nunca cesan ni son idénticas entre sí, y que constantemente se van constituyendo como nuevos conocimientos. Por lo tanto, es posible señalar que siempre se está aprendiendo, desde el inicio de nuestras vidas hasta nuestra muerte. En este contexto, el proceso de plasticidad cerebral es el que le permite a cada individuo realizar un ajuste conductual a su entorno, al ir presentando incesantemente nuevas capacidades a través del desarrollo y maduración del proceso de aprendizaje (Wesson, 2001).

En este sentido, según Cozolino (2013) la enseñanza es un proceso neurobiológico donde el profesor se configura como un agente potenciador y optimizador de la plasticidad, promoviendo la construcción de nuevas estructuras neurales que subyacen al proceso de aprendizaje, o dicho de una manera más metafórica, “los profesores son científicos intentando usar los procesos epigenéticos para construir, reconstruir y remodelar los cerebros de sus estudiantes en vías de mejorar sus habilidades para pensar, aprender y actuar” (Cozolino, 2013. p. 42). Asimismo, la educación consiste, esencialmente, en proveer experiencias que ilustren sobre el mundo, generando en cada uno de sus aprendices la capacidad de analizar y evaluar saberes y conocimientos a partir de la aplicación de criterios que emergen desde la racionalidad, lo que también se conoce como la generación del pensamiento crítico (Lavados, 2012).

No obstante, cada estudiante posee representaciones propias de la realidad, que, a grandes rasgos, constan de una elaboración selectiva de contenidos que están dispuestos en concordancia con las perspectivas, emociones, énfasis e intereses de cada individuo, y que no corresponden a una imagen copiada de la realidad, sino más bien a una versión propia del mundo, muchas veces inconsistente con las ideas de los profesores de ciencias y los científicos (Treagust, 1988). Dentro del ámbito de la educación en ciencias y del proceso de enseñanza y aprendizaje, estas representaciones son denominadas concepciones alternativas (Krüger, 2007; Treagust,1988).

Es importante destacar que los estudiantes y las personas en general tienen una variedad de concepciones, claramente diferentes entre sí, sobre objetos y procesos, que no siempre coinciden con la visión científica actualmente aceptada (Gropengießer y Marohn, 2018); y muchas de las concepciones de cada cual son resistentes a los intentos de modificación que ejerce la enseñanza (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994). Estas consideraciones sobre las concepciones nos conducen a reconocer como un aspecto vital para la educación formal poder comprender algunos aspectos claves de cómo ocurre la función biológica del aprendizaje.

En este contexto, hay un gran número de trabajos referentes al estudio de las concepciones de los estudiantes, cuyo cuerpo teórico contiene más de 8300 artículos (Duit, 2009). Sin embargo, existen escasos artículos de naturaleza científica que analicen y relacionen los aspectos de la neurobiología del aprendizaje, que puedan favorecer el entendimiento del origen de las concepciones presentes en los estudiantes y de cómo poder lograr el ajuste, el cambio o la transformación de ellas en ideas aceptadas por la comunidad científica; dicho de otro modo, que provean de algunas aproximaciones neurobiológicas que tributen a la comprensión de cómo ocurre el cambio conceptual en el cerebro de los estudiantes, dado que aún resulta ser un gran desafío encontrar estrategias para trabajar sus concepciones y, de este modo, poder esclarecer las condiciones en la enseñanza-aprendizaje que podrían tener éxito a partir de la utilización de las mismas.

Por estas razones, el presente capítulo busca entregar algunos aspectos claves sobre la relación existente entre las bases neurobiológicas del aprendizaje y el desarrollo de las concepciones de los estudiantes.

2. Desarrollo

2.1 Aspectos relevantes de la neurobiología del aprendizaje

El aprendizaje corresponde al proceso mediante el cual el cerebro adquiere, organiza y utiliza la información constituyéndola en conocimiento (Dehaene, 2019; Lavados, 2012). Al considerar esta definición, más lo planteado por James Zull (2002), se puede decir que para que ocurra el aprendizaje debe haber un cambio estructural y funcional en las áreas cerebrales comprometidas con este proceso (ver Figura 2.1), y donde la enseñanza debería ser la información sensorial y/o estímulo que hace posible generar este cambio.

Figura 2.1 Red de estructuras cerebrales subyacentes a la capacidad de aprender y memorizar del cerebro humano.

Sin embargo, ante los estímulos sensoriales el cerebro no se presenta ni sumiso ni pasivo; muy por el contrario, dispone de un conjunto de hipótesis proyectadas sobre el mundo exterior. Es decir, no somos vírgenes de cualquier forma de conocimiento, y aprender siempre supone como punto inicial un conjunto de ideas e hipótesis previas, que interactúan con la nueva información recibida y que seleccionan de esta la que mejor se adapte a este conocimiento precedente (Dehaene, 2019).

Actualmente, la propiedad particular de “cambiar” que poseen las estructuras cerebrales se conoce como plasticidad neuronal. Este proceso fue definido por José Ramón y Cajal como “la propiedad por virtud de la cual ocurren cambios funcionales sostenidos en sistemas neuronales luego de la administración de estímulos ambientales apropiados o de la combinación de diferentes estímulos” (Befenetti, 2007). Por otra parte, es posible señalar que el conocimiento se encuentra en constante construcción dependiendo de los niveles de maduración del aparato neurobiológico y de las funciones de cada sistema cerebral (Buzsaki, 2013).

Según Lavados (2012), “se aprende a través de comprobar en la práctica y más tardíamente en el pensamiento, la fortaleza empírica y después racional de las hipótesis y de los supuestos, a partir de lo cual es necesario incorporar más información, acopiando nuevos datos y regularidades a los esquemas de aprendizajes ya adquiridos para ir construyendo el conocimiento de manera constante” (Lavados, 2012, p.151).

Cuando la información proveniente desde nuestro entorno es percibida por nuestros sistemas sensoriales y posteriormente es destinada a centros de procesamiento y análisis —como, por ejemplo, a la corteza cerebral—, nuestro cerebro intenta relacionar cada componente de esta nueva información con elementos ya almacenados en nuestra memoria, principalmente en el hipocampo (Gooding y Metz, 2011). De este modo, este proceso interminable tributa a la construcción de la realidad que posee cada individuo.

Específicamente, la información que se va adquiriendo queda archivada en constructos de información, los cuales van quedando alojados en las infinitas redes neuronales de nuestro cerebro. Hace ya varias décadas que se ha documentado que el aprendizaje puede generar cambios en la estructura de las redes neuronales, en las neuronas (como por ejemplo el aumento en la longitud de las dendritas de las neuronas, un aumento en la cantidad de espinas dendríticas y cambios en su morfología), así como también un aumento en el número de sinapsis, de estas últimas es de donde emergen las expresiones de la plasticidad (Pascual, 2012).

En general, los axones neuronales terminan en estructuras especializadas, llamadas espinas dendríticas, en donde ocurren el 80% de las sinapsis, constituyendo un sistema de integración, procesamiento y almacenamiento de la información. Al respecto, se ha demostrado que tanto el número como la forma de estas espinas se modifican en respuesta a la enseñanza y a la experiencia, lo que incrementa su eficacia sináptica, proceso de señalización propio del sistema nervioso (Pascual, 2012; ver además Figura 2.2).

2.2 Aproximaciones a la neurobiología de las concepciones alternativas

Según Dehaene (2019), hay principios fundamentales que cada modalidad de enseñanza debe respetar para garantizar su eficacia. Uno de ellos corresponde a considerar en todo momento la existencia de intuiciones precoces y abstractas, más conocidas como las preconcepciones de los estudiantes, y sobre las cuales debe apoyarse la enseñanza. No obstante, el contenido de esta experiencia de enseñanza puede ser erróneo y, de manera independiente a esta característica, también puede ser almacenado en nuestro cerebro, lo que ocurre con gran facilidad cuando el sistema cognitivo es incapaz de distinguir si la información que está recibiendo es correcta o si se acopla a ideas precedentes igual de disonantes, por ejemplo, con un conocimiento científico en particular.

Por lo tanto, las concepciones alternativas se fundamentan en la calidad de enseñanza recibida y en la experiencia, traducidas en el conocimiento que cada uno dispone en un momento determinado, el cual fue aprendido a través de la interacción con el medio social y cultural, y de acuerdo con la organización de este conocimiento a partir de los propios sistemas de procesamiento cerebral. Es decir, dependen estrechamente de cómo el cerebro ha adquirido, organizado y utilizado algún tipo de información para constituirla como un conocimiento (Lavados, 2012). De este modo, es posible señalar que las concepciones pueden ser erróneas, parciales y contingentes y, en ningún caso, pueden llegar a representar cabalmente una idea o una correcta representación del mundo.

Figura 2.2 La figura representa (A) neuronas de la corteza prefrontal de morfología piramidal típica. La ampliación representa el lugar donde es posible encontrar las espinas dendríticas en la superficie de las dendritas neuronales. En un mayor aumento (B) se puede apreciar un axón (arriba) en contacto con una espina dendrítica (abajo). Es en el contacto de estas estructuras donde tiene lugar la sinapsis.

Así, es posible que las concepciones se configuren como una versión personal y específica de diversos aspectos del entorno, cuya naturaleza puede ser sensorio-motora, perceptiva, conceptual o lingüística (Halldén, 1999). Asimismo, se constituyen a partir de creencias, deseos e incluso expectativas definidas por la motivación, las emociones y los sentimientos (Pintrich et al., 1993). De esta manera, la representación del mundo que cada uno concibe es propia de cada individuo, pero al mismo tiempo es parcialmente consistente con la realidad física, social y cultural en que el individuo se desarrolla.

2.3 Aproximaciones al entendimiento del surgimiento de concepciones

En uno de los principales estudios de las concepciones de los estudiantes, Gooding y Metz (2011) las han caracterizado como nociones personales que se crean para explicar y dar sentido a los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor y en nuestros organismos, para entender cómo funciona el mundo en el cual nos encontramos insertos; cómo interactuamos en él; cómo y por qué cambia.

En términos de contenido, las concepciones pueden caracterizarse como desviadas de la presentación científicamente correcta de ese contenido, y como descripción de la posición inicial para un aprendizaje adicional (Krüger, 2007). No obstante, se ha descrito que, en la mayoría de los casos, las concepciones son bastante firmes y estables en el aparato cognitivo y admiten pocas variaciones (Treagust, 1988).

En las fases iniciales del estudio de las preconcepciones de los estudiantes —independientemente de las edades de estos—, se consideraba que ellas se desvían de las concepciones científicas actualmente válidas, como conceptos erróneos que debían ser eliminados y reemplazados por conceptos correctos (Krüger, 2007). Sin embargo, en los últimos años de investigación acerca de esta temática, se ha llegado a determinar que no se puede seguir sosteniendo la visión peyorativa de las concepciones de los estudiantes, puesto que la presencia de estas ideas es muy relevante para el proceso de construcción del conocimiento que ellos mismos llevan a cabo, dado que, como se mencionó anteriormente, los estudiantes, aprenden sobre la base de lo que ya conocen.

Diversos autores establecen que es necesario que el docente conozca las ideas que tienen los estudiantes sobre un tema en particular, ya que ellas influirán en su aprendizaje, tal como lo afirmó Ausubel en el año 1976 y luego en el año 2002, con su famosa frase: “Si tuviera que reducir toda la Psicología Educativa a un solo principio, enunciaría este: El factor más importante que influye en el aprendizaje es lo que el alumno ya sabe. Averígüese esto y enséñese consecuentemente” (Ausubel, 1976, p. 6).

Las concepciones son nociones y explicaciones basadas en la experiencia. A través de ellas los humanos comprenden muchos fenómenos naturales, apropiados a contextos de la vida cotidiana, y son en varias ocasiones bastante razonables (Krüger, 2007). Un término respetuoso para denominarlas es concepción alternativa o concepción cotidiana (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994). En este escenario, Wandersee et al. (1994) han resumido los resultados de la investigación en didáctica de las ciencias, en el tema de las concepciones, proponiendo ocho principales características de las concepciones alternativas de los estudiantes de ciencias naturales. Siete de ellas han sido consideradas por nosotros como muy importantes de compartir en este capítulo, pues también presentan una íntima conexión con varios aspectos señalados por las neurociencias. Estas características son:

1) Los estudiantes asisten a la enseñanza formal de ciencias con un conjunto diverso de concepciones alternativas;

Las concepciones alternativas…

2) …se modulan de acuerdo con la edad, la capacidad, el género y la cultura;

3) …son bastante resistentes a la extinción;

4) …a menudo son explicaciones similares a las ofrecidas por generaciones anteriores de científicos;

5) … tienen su origen en las experiencias personales;

6) …a menudo los profesores se suscriben a las mismas concepciones alternativas;

7) …en algunas ocasiones, su presentación conduce a varios resultados de aprendizaje no deseados.

Consecuentemente, y tal como se mencionó antes, así como se constituye de particular importancia para los procesos de enseñanza y aprendizaje considerar la existencia de las concepciones alternativas y saber de su resistencia al cambio, también debe considerarse de igual importancia su utilización para iniciar el proceso de enseñanza (Krüger, 2007).

Existen varios enfoques teóricos para investigar procesos de aprendizaje basados en estructurar la enseñanza y el aprendizaje sobre la base de las ideas preconcebidas por el estudiante. Por ejemplo, el enfoque del cambio conceptual establecido en el clásico estudio de Posner et al. (1982), al referirse a los procesos de asimilación, en donde el estudiante es capaz de explicar problemas con nuevas ideas, y al proceso de acomodación, en donde el estudiante puede ir reemplazando o reorganizando ideas, con respecto a las ideas antiguas, considera que en todo momento estos procesos deben ajustarse al desarrollo cognitivo del estudiante. Por otra parte, como núcleo común de los diversos enfoques constructivistas, Duit (1996) identifica cuatro supuestos (ver Figura 2.3).

Primeramente, se debe considerar que las concepciones evolucionan a partir de nuestra interacción con el entorno físico y social. Esta interacción se denomina experiencia y teoría del realismo experimental (Lakoff y Johnson, 1999; Gropengießer, 2007). La interacción sensorio motora repetida con el entorno, como una acción repetitiva, forma y vincula progresivamente los grupos neuronales funcionales involucrados de manera más efectiva. La repetición en el encuentro con los estímulos fortalece las conexiones entre las neuronas, mientras que la ausencia de esta repetición resulta en el decaimiento del fortalecimiento de una información determinada (Atwood y Karunanithi, 2002). No debemos olvidar que la experiencia puede cambiar los patrones de conexión neuronal de nuestro cerebro y que las nociones y los esquemas crecen a partir de la estructura y el funcionamiento de nuestro cuerpo y cerebro, y de cómo interactuamos con el entorno físico y social (Lakoff, 1990). En este sentido, diversos estudios han demostrado que las ideas de la realidad no son ni pueden ser idénticas a lo que la ciencia engloba y, además, que son diferentes entre las personas en la medida que más desiguales son los individuos entre sí, puesto que cada ambiente (contexto psicobiosocial) impone fuertes restricciones al desarrollo de conceptos, motivaciones y sentimientos. De este modo, estas ideas muchas veces son muy divergentes entre sí, al punto de llegar incluso a ser incomprensibles e incomunicables entre grupos de seres humanos con altas diferencias psicobiosociales (Cozolino, 2013).

Figura 2.3 Supuestos constructivistas de las concepciones de los estudiantes.

Para finalizar este apartado, quisiéramos presentar un ejemplo sobre las concepciones alternativas de los estudiantes sobre el Sistema Nervioso (SN).

Existe consenso sobre la dificultad de aplicar los conocimientos sobre este sistema a la explicación de fenómenos cotidianos tales como pensar, sentir (sensorialmente), emocionarse o respirar, pues generalmente la función del SN humano se asocia principalmente al movimiento o al sistema motor, sin considerar las otras numerosas estructuras y funciones que modulan y emergen en este sistema. Por ejemplo, hemos apreciado que, al finalizar el primer ciclo de la enseñanza básica, los estudiantes tienden a entender el SN exclusivamente como el cerebro y el cráneo que lo protege. Este error conceptual excluye al SN periférico, compuesto por los nervios, e incluye al cráneo estructura que no es parte del sistema nervioso. Asimismo, para los estudiantes es difícil razonar que el SN está presente alrededor de todo nuestro cuerpo y que está en estrecha asociación con el funcionamiento de otros sistemas como el digestivo o el circulatorio. Más tarde, alrededor de los 13 o 14 años, los resultados de Alvarado, Rivas y Ochoa (2014) sostienen que los estudiantes visualizan como sinónimos el cerebro y el SN. Además, señalan que el cerebro es un organismo y lo definen como una máquina creada por la naturaleza. Por otra parte, un estudio realizado por Ranaweera y Montplaisir (2010) en estudiantes universitarios que se encontraban cursando la asignatura de Anatomía Humana y Fisiología en una Universidad de EE.UU., revela que las principales preconcepciones de los estudiantes sobre el SN incluyen: (i) el corazón como un componente principal del SN periférico, (ii) al arco reflejo ilustrado por la acción en lugar de la estructura, y (iii) a los tipos de neuronas (unipolar, bipolar o multipolar) diferenciadas por aspectos erróneos en lugar de su disposición estructural. Adicionalmente, las autoras destacan que la enseñanza constructivista en el aula junto con la participación simultánea en actividades de laboratorio, proporcionó experiencias para que los estudiantes superaran algunas de sus concepciones alternativas. El hallazgo de esta investigación sugiere que los profesores deben conocer las preconcepciones de sus estudiantes antes de la enseñanza y que, el uso de dibujos como herramienta de evaluación formativa, es una excelente manera de recopilar dicha información.

A continuación, desarrollaremos una explicación teórica y algunas de las aproximaciones neurobiológicas al cambio conceptual, considerando los factores que pueden promoverlo, desde las neurociencias.