Introducción

La investigación aborda el creciente interés en la didáctica universitaria, debido a los desafíos que enfrentan los docentes en la enseñanza-aprendizaje de las ciencias naturales. Se propone la implementación exitosa del modelo de la clase invertida (MCI) como una estrategia metodológica para el desarrollo de competencias científicas en docentes de primaria en formación en la Universidad de Panamá. La investigación fue experimental y exploratoria, utilizando dos instrumentos para evaluar la contribución del MCI al desarrollo de competencias científicas y la satisfacción de los estudiantes. Los resultados revelaron una diferencia significativa en las competencias científicas cognitivas y actitudinales ante

Las Ciencias Naturales juegan un papel relevante dentro del desarrollo socioeconómico de los países, porque son el foco de atención de los cambios radicales por los que está transitando la humanidad, por lo que su estudio se ha vuelto un desafío al ser un eje donde convergen muchas otras ciencias. En Panamá, la enseñanza de la ciencia y la tecnología ha sido considerada de gran importancia para el desarrollo social y económico. A través del Plan Estratégico Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación PENCYT 2019-2024 (SENACYT, 2019), se enfatiza en el mejoramiento de la enseñanza de la ciencia y en el fortalecimiento del recurso humano, como parte de las líneas estratégicas para la competitividad. La Facultad de Ciencias de la Educación de la Universidad de Panamá presenta, dentro de las ofertas académicas de pregrado, la carrera de Licenciatura en Educación Primaria, con un perfil profesional académico diseñado por competencias, actualizado para cumplir los requisitos del Modelo Educativo Académico de la institución (DIGEPLEU-UP, 2008). Entre las competencias profesionales más relacionadas con la formación en ciencia y tecnología, se establece que el egresado debe planificar y orientar el proceso de enseñanza-aprendizaje, que favorezca el desarrollo del pensamiento lógico, creativo y crítico del estudiante en centros educativos unigrado y multigrado en la educación permanente del sistema formal y no formal. Para cumplir esta competencia, se contempla dentro del plan de estudio impartir el curso de Principios Básicos Ciencias Naturales (Bio 210), atendido por profesores de Biología de la Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología, con el objetivo de ayudar al futuro docente a lograr ese desarrollo del pensamiento crítico y otras competencias científicas para la enseñanza de las ciencias naturales en primaria. Por esta razón, el propósito principal de esta investigación fue implementar un método didáctico disruptivo, con enfoque constructivista, como es el método de la clase invertida (MCI) o Flipped classroom en su denominación en inglés, para el desarrollo de competencias científicas en los maestros en formación.

El tema de las competencias científicas podría desarrollarse en dos horizontes de análisis: el que se refiere a las competencias científicas requeridas para hacer ciencia y el que se refiere a las competencias científicas que sería deseable desarrollar en todos los ciudadanos, independientemente de la tarea social que desempeñarán. Sin duda, las competencias que caracterizan a unos y a otros no son excluyentes y tienen muchos elementos comunes, pero el segundo tipo de competencias interesa especialmente a la educación básica y media porque tiene relación con la vida de todos los ciudadanos (Hernández, 2005).

El MCI fue consolidado por Jonathan Bergmann y Aaron Sams en 2007 en Estados Unidos, muchos años después que el físico Eric Mazur incursionara por primera vez en 1988 con la técnica peer instructions o instrucción entre pares. Este modelo se basa en modificar la estructura tradicional de las clases, haciéndola más cooperativa e interactiva, proponiendo el intercambio de las actividades que realiza el docente con sus estudiantes en clases y en casa, para trasladar las tareas o ejercicios que los estudiantes hacen en casa al momento de la clase con la tutoría del docente y realizar el estudio en casa, a través de clases interactivas con vídeos tutoriales y guías de aprendizaje diseñadas para una plataforma virtual educativa (Terrasa y Andreu, 2015).

Mediante el uso de Internet los alumnos acceden a los contenidos de la asignatura visualizándolos fuera del aula, normalmente a través de videos. Este recurso permite al alumno tener un primer contacto con los temas de la materia y en clase, los alumnos realizan tareas de producción: debates, consultas, prácticas, aprendizaje basado en problemas (ABP) entre otros. De este modo, se utilizan las clases presenciales en el aula para profundizar y trabajar los contenidos, mediante actividades dinámicas que fomenten el trabajo colaborativo.

Este modelo permite que el alumno pueda obtener información en un tiempo y lugar que no requiere la presencia física del profesor. Constituye un enfoque integral para incrementar el compromiso y la implicación del alumno, de manera que construya su propio aprendizaje, lo socialice y lo integre a su realidad. El aula invertida permite también, que el profesor dé un tratamiento más individualizado, logrando así los componentes básicos para el (Martínez Olvera et al., 2014).

Las bases pedagógicas que fundamentan el MCI son las propuestas para el enfoque constructivista sociocultural (Díaz Barriga y Hernández, 2010; González Gómez et al., 2017; Santiago y Bergman, 2018; Arráez Vera et al. 2018), ya que las actividades de aula se planifican con el propósito de incentivar el aprendizaje colaborativo y cooperativo. Otros autores como Vidal Ledo et al., (2016) y Andrade y Chacón (2018) concuerdan que el aula invertida se basa en el constructivismo sociocultural, ya que la actividad docente durante el proceso de instrucción queda definida y el profesor, con su orientación guía a los estudiantes en la medida que éstos asimilan los contendidos en la solución de diferentes tareas docentes según el tema que se aborde, de ahí que en este enfoque resulta importante destacar la interacción profesor-alumno como elemento esencial y el papel del que enseña como orientador del contenido para el logro de los objetivos previstos, lo que garantiza, en diferentes momentos del proceso docente, la actividad independiente del estudiante y el adecuado uso de los recursos de aprendizaje que aportan la internet y la web, lo que en última instancia permite la asimilación del contenido.

Taxonomía de Bloom modificada y el MCI

Como parte de los lineamientos del enfoque constructivista del modelo de la clase invertida, se destaca el desarrollo de los objetivos de aprendizaje a través de la Taxonomía de Bloom. Éste consiste en clasificar los objetivos del aprendizaje en cuanto al desarrollo de habilidades que están organizadas a modo de pirámide desde las más básicas hasta las más complejas (Galante, 2015; Melo y Sánchez, 2017). Originalmente el sistema de Bloom desarrollado en 1956 estaba descrito utilizando sustantivos y tenía un orden ligeramente diferente al que se utiliza ahora y que refleja las últimas revisiones actualizadas hecha a este modelo por Anderson y Krathwohl en el 2001 y Churches en el 2008 (Moreno y Cantos, 2017). La taxonomía de Bloom es considerada como el sistema más utilizado comúnmente para identificar y jerarquizar las habilidades que toda institución educativa debería desarrollar en sus alumnos.

Para comprender la relación entre la taxonomía de Bloom modificada y la MCI es importante recordar el objetivo de la clase invertida: invertir las actividades realizadas en el aula y en casa para facilitar el desarrollo de habilidades de pensamiento de orden superior de manera colectiva con nuestros alumnos (Santiago y Bergman, 2018). En la figura 1 se presenta la modificación hecha a la taxonomía de Bloom por Anderson y Krathwohl en el 2001 (A) y (B) la adaptación de Santiago y Bergman (2018).

Figura 1.
Modificaciones de la taxonomía de Bloom para la clase invertida.
(A) Modificación Anderson y Krathwohl en el 2001

Figura 1.
Modificaciones de la taxonomía de Bloom para la clase invertida.
(B) AdaptaciónSantiago y Bergman (2018).

Según la interpretación de los autores, el uso del MCI implica que las actividades que se realizan en casa son las que se ubican ahora en los niveles más bajos de la taxonomía de Bloom, mientras que aquellas que requieren de mayor esfuerzo cognitivo se pueden realizar en la sala de clases con la orientación del profesor.

Dinámica educativa del MCI

Melo y Sánchez (2017) consideran que la clase invertida se refiere a un conjunto amplio de consideraciones curriculares dirigidas a aumentar la participación de los estudiantes, tanto fuera como dentro del aula. Además, la realización de actividades centradas en el estudiante favorece y atrae de forma más eficaz al proceso de aprendizaje, tales como pequeñas investigaciones o la resolución de problemas o casos prácticos, demostrándose el impacto muy positivo en el proceso de aprendizaje, especialmente en el aprendizaje de la ciencia (González Gómez et al. 2017).

Para que esta dinámica se lleve a cabo, diversas investigaciones han recomendado varias etapas antes, durante y después de la aplicación del MCI para que se obtengan mayores y mejores resultados (Tourón et al. 2014; Martínez Olvera et al. 2014; Vidal Ledo et al. 2016; González Gómez et al. 2017; Melo y Sánchez, 2017), pero no se ha establecido una secuencia didáctica clara del mismo. Sin embargo, algunos autores (Escamilla et al., 2014; Raffaghelli, 2017; Santiago y Bergman, 2018) concuerdan en que hay momentos importantes que se deben tener en cuenta al aplicar el MCI como método de enseñanza.

Concepto de competencias científicas: definición y dimensiones

La teorización acerca de las competencias científicas, en las ciencias naturales, señala que se establecen a partir de observaciones de la naturaleza y el uso de métodos de análisis, modelos o teorías que, para ser válidos, deben ser sometidos a verificación experimental. Esto obliga necesariamente a formular planteamientos concretos y a analizar los datos de manera crítica (Torres et al., 2013). Pero, con esta premisa de análisis formal del conocimiento científico se debe interpretar que el ciudadano común debe tener elementos importantes para comprender aspectos inherentes a fenómenos naturales y sacar de ellos interpretaciones concretas. En este contexto, se ha definido el conocimiento de la ciencia como el conocimiento del mundo natural, a través de las principales disciplinas científicas, esto es, la física, la química, la biología, las ciencias de la Tierra y del espacio y las tecnologías con base científica. Por su parte, el conocimiento acerca de la ciencia hace referencia al conocimiento de los medios (investigación científica) y las metas (explicaciones científicas) de la ciencia (OCDE, 2017).

Por otra parte, algunos autores indican que la competencia científica se interpreta como una unidad que define el pensamiento científico como la capacidad de comprender los procesos de lo real, manejar el lenguaje de la ciencia de manera oral y escrita, dominar el lenguaje especializado de la ciencia, criticar las teorías de los demás y las propias, complementado con el trabajo en equipo (Chona Duarte et al., 2006; Alvarado Argueda et al., 2015; Goytía et al., 2015).

Definiciones de competencia científica

El tema de las competencias científicas podría desarrollarse en dos horizontes de análisis: el que se refiere a las competencias científicas requeridas para hacer ciencia y el que se refiere a las competencias científicas que sería deseable desarrollar en todos los ciudadanos, independientemente de la tarea social que desempeñarán. Sin duda, las competencias que caracterizan a unos y a otros no son excluyentes y tienen muchos elementos comunes, pero el segundo tipo de competencias interesa especialmente a la educación básica y media porque tiene relación con la vida de todos los ciudadanos (Hernández, 2005).

Los datos aportados por estudios regionales como el Programa para la Evaluación Internacional de Alumnos (OCDE, 2017) y el Tercer Estudio Regional Comparativo y Explicativo (TERCE, 2015) de la UNESCO, para el aprendizaje de las Ciencias Naturales, indican un bajo rendimiento en los contenidos y destrezas logrados en esta asignatura. Si bien estos resultados no proceden de pruebas académicas formales, sino de evaluaciones de los estándares mínimos en base a los objetivos educativos de los países miembros, por medio de un análisis de los currículos de las áreas evaluadas, dan las pautas para adoptar decisiones y políticas públicas necesarias para mejorar los niveles educativos, principalmente en ciencia y tecnología (TERCE, 2015).

Según algunos autores, estas debilidades ocurren debido al limitado trabajo de procesos cognitivos y volitivos para el desarrollo de competencias científicas, a las prácticas de aula influenciadas por el positivismo que buscan el conocimiento objetivo y acumulativo, lejos de las tendencias actuales de la construcción del conocimiento científico y evidencia del predominio de una concepción tradicional centrada en la transmisión de información y el aprendizaje memorístico (García y Ladino, 2008; Castro, 2012; Torres, et al. 2013).

Dentro de las diversas definiciones sobre el concepto competencia científica presentada por diversos autores (Hernández, 2005; Chona Duarte et al., 2006; García y Ladino, 2008; Fernández-López, 2011; Castro, 2012; Alvarado Argueda et al., 2015; Benarroch y Núñez, 2015; Franco-Mariscal, 2015; Goytía et al., 2015; Caño y Burgoa, 2017), fue elegido para esta investigación la definición que se publicó para el proyecto del Programa para la Evaluación Internacional de los Estudiantes (PISA siglas en inglés) de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico que se describe así: “La capacidad para emplear el conocimiento científico, identificar preguntas y obtener conclusiones basadas en pruebas, con el fin de comprender y ayudar a tomar decisiones sobre el mundo natural y los cambios que la actividad humana produce en él” (OCDE, 2017, p.25 ), más precisamente entendida como la “habilidad de comprometerse con cuestiones relacionadas con la ciencia y con las ideas científicas, como ciudadano reflexivo (Caño y Burgoa, 2017, p.9).

Este constructo de competencia científica en PISA se proyecta como el conjunto de capacidades que sería esperable que una alumna o alumno científicamente competente desarrolle a lo largo de su vida, sean personas científicas o no, para que se conviertan en ciudadanos informados y críticos del conocimiento científico

Teniendo en cuenta la exposición de Rebollo Bueno (2010), con relación a las comparaciones de las definiciones del concepto de competencia científica, se escogió esta definición expuesta para el proyecto PISA 2015 (Caño y Burgoa, 2017) por las siguientes razones didácticas: es aceptado como un término que representa las metas de la educación en ciencias que son aplicables a todos los estudiantes, sugiriendo la gran amplitud y el carácter aplicado que tiene como objetivo la educación en ciencias. Además, representa un continuo que engloba tanto el conocimiento científico como las habilidades científicas asociadas a la investigación en ciencias e incorpora una multiplicidad de dimensiones, incluyendo las relaciones entre la ciencia y la tecnología.

Metodología

La investigación se llevó a cabo con estudiantes del curso de Principios Básicos de Ciencias Naturales (Bio. 210) de la Licenciatura en Educación Primaria en la Facultada de Ciencias de la Educación, específicamente con una muestra aleatoria simple (MAS) de 88 estudiantes del Campus central y Centro Regional de San Miguelito (CRUSAM) y Centro Regional de Panamá Oeste (CRUPO) de la Universidad de Panamá en donde se atiende el curso durante el segundo semestre académico del año 2019.

Los estudiantes que participaron en esta intervención educativa conocieron sobre la finalidad, los riesgos, los beneficios y confidencialidad de la investigación; ya que, mediante un informe de consentimiento informado, se les indicó que su participación era una decisión libre y no forzada.

En función a los objetivos planteados, la investigación fue experimental, transeccional, descriptiva y exploratoria, ya que es un tema poco estudiado (Hernández Sampieri et al., 2014) que buscaba identificar las competencias de referencia del programa internacional PISA 2015, escogidas para esta investigación, con miras para el mejoramiento del proceso enseñanza-aprendizaje de los estudiantes del curso Principios Básicos de Ciencias Naturales, a través de una pre y post-prueba de conocimientos, para luego interpretar el desarrollo de las mismas en el aula y en los contextos significativos de los discentes objeto de estudio, después de la intervención educativa con el MCI.

Se diseñaron dos instrumentos para esta investigación, basados en los objetivos planteados. Los instrumentos utilizados fueron revisados para su coherencia y validez de contenido por el método de juicio de expertos en el Centro Investigación para el Mejoramiento de la Enseñanza de las Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología (CIMECNE) de la Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnología y para la fiabilidad se llevó a cabo una prueba piloto (Supo, 2014) durante el segundo semestre 2017 con un grupo de 26 estudiantes del curso de Principios Básicos de Ciencias Naturales (Bio 210), quienes dieron su consentimiento informado, voluntario y anónimo para la participación en dicho proceso. Para el análisis de datos de la prueba piloto, se siguió el enfoque de análisis de consistencia interna de los ítems, a través del cálculo de los coeficientes de Alpha de Crombach (Hernández Sampieri et al. 2014).

Instrumento 1. Pruebas de conocimiento basadas en los temas del programa sintético por competencias del curso Bio 210 y en las competencias científicas de PISA 2015

Este instrumento estuvo dividido en dos partes: la primera, relacionada con los datos generales básicos con la finalidad de ubicarse en el contexto del estudiantado de las sedes visitadas; mientras que en la segunda parte se formularon 30 preguntas, divididas en tres áreas relacionadas con los temas académicos tratados para esta investigación: Método científico, bases químicas de la vida y la célula como unidad estructural y funcional de los seres vivos.

Se utilizó el programa sintético por competencias del curso Principios Básicos de Ciencias Naturales (Bio 210) y se seleccionaron los temas académicos contemplados para el Módulo 1: Orígenes y bases químicas de la vida. Para las competencias científicas de PISA 2015 se seleccionó la dimensión conocimiento que incluía los aspectos conceptual, procedimental y actitudinal (Caño y Burgoa, 2017).

Instrumento 2. Cuestionario para el nivel de satisfacción del proceso de enseñanza-aprendizaje de las ciencias naturales a través de la clase invertida

Se adaptó el cuestionario sobre la satisfacción de la enseñanza por el MCI para competencia deGonzález Gómez et al. (2017), utilizando la escala tipo Likert para determinar el nivel de satisfacción de los participantes en la intervención educativa, con una ponderación de 1 para insatisfecho, 2 para indiferente y 3 para satisfecho.

Se utilizó el reactivo matemático de Estimador de Satisfacción Estudiantil para calcular el índice de satisfacción de los estudiantes a nivel superior, en donde los resultados se comparan con una escala de valoración de 1 a 5, siendo 1 totalmente insatisfecho y 5 totalmente satisfecho. Sánchez Quintero (2018).

Implementación del MCI

Para la intervención educativa se procedió a dividir los grupos en control y experimental, esto en cada una de las 3 sedes educativas (Campus Central, CRUSAM y CRUPO), con un número de participantes voluntarios en cada grupo. Los estudiantes del grupo control, fueron aproximadamente la mitad en cada caso.

Para llevar a cabo el MCI, se usaron dos formas de interactividad y conectividad: la primera descrita a través de una plataforma educativa gratuita de aprendizaje Schoology®, para los estudiantes que contaban con dispositivos electrónicos como las computadoras personales, tabletas o teléfonos móviles con conexión a internet; y la segunda alternativa descrita por Suárez Lantarón (2017) con la aplicación WhatsApp para los estudiantes que expresaron su limitación en el manejo de plataformas educativas, pero contaban con teléfonos inteligentes (smartphone) para acceder al material de estudio y vídeos educativos.

El uso de plataformas educativas como Schoology® permitió generar un mayor interés por parte de los alumnos, esto debido a que día a día están más familiarizados con las herramientas digitales en lugar de los métodos convencionales. Al integrar el uso de las tecnologías digitales y móviles es posible tener un acceso remoto a la información que se encuentra disponible para el alumno en todo momento (Montelongo y Barraza, 2018). El contenido contemplado para esta investigación se seleccionó del programa sintético del curso que consistió en los temas método científico, teorías sobre la aparición del agua sobre la tierra, bioelementos y biomoléculas orgánicas y la célula como unidad estructural y funcional de los seres vivos. Todos los temas se trabajaron a través de vídeos educativos propios que promovían el autoaprendizaje y la colaboración para el aprendizaje basado en proyectos (ABP).

Se siguió el esquema de trabajo para el MCI según Pasmiño Cruzatti (2014) con las etapas descritas para antes, durante y después del trabajo individual y grupal. El material usado para la intervención fue colocado en la plataforma Schoology, con los vídeos educativos, propios o de otros recursos de los temas de estudio individual en casa y las preguntas de estudio. Para los estudiantes que no contaban con ordenadores, se utilizó los grupos de WhatsApp para enviar los vídeos, el material y las preguntas de estudio. Durante la clase presencial, los alumnos trabajaron diversas técnicas de aprendizaje motivadoras como la técnica justo a tiempo (just time), instrucción entre pares (peer instruction) desarrolladas por Eric Mazur y el aprendizaje colaborativo (ApreCol) recomendadas para el MCI (González Gómez et al., 2017; Instituto Profesional de Chile, 2017).

Además, durante las sesiones presenciales se realizaron las prácticas diseñadas para tratar los temas en grupo, de acuerdo con los tiempos destinados para los mismos y la evaluación formativa de éstos. Se realizaron plenarias para compartir el trabajo realizado grupalmente y con la investigadora, para hacer las aclaraciones que se consideren recomendables. Durante la fase de implementación, se aplicaron las pruebas formativas correspondientes a cada tema, luego de realizadas las prácticas presenciales.

Evaluación de la intervención educativa

En cada grupo intervenido con el MCI, se discutieron las ventajas y desventajas del uso del MCI como metodología disruptiva para la enseñanza de las ciencias naturales y se aplicó el cuestionario para el nivel de satisfacción de la enseñanza a través de la clase invertida. La post-prueba de conocimientos para el desarrollo de competencias científicas y los datos obtenidos fueron sistematizados para el análisis estadístico respectivo.

Resultados y discusión

ruebas de conocimiento basadas en los temas del programa sintético por competencias del curso Bio 210 y en las competencias científicas de PISA 2015.

Para el diagnóstico del contexto del estudiantado, se tomaron los datos de la primera parte del Instrumento 1 (tabla 1)

Conclusiones

l análisis de las observaciones hechas en esta investigación nos permite derivar algunas conclusiones de los procesos y situaciones que se dieron en este estudio sobre la implementación del modelo de la clase invertida para el desarrollo de competencias científicas en docentes de primaria en formación, se trató de descubrir los elementos positivos y negativo

El análisis de las observaciones hechas en esta investigación nos permite derivar algunas conclusiones de los procesos y situaciones que se dieron en este estudio sobre la implementación del modelo de la clase invertida para el desarrollo de competencias científicas en docentes de primaria en formación, se trató de descubrir los elementos positivos y negativos que inciden en el desarrollo de este importante y novedoso modelo didáctico para el curso de Principios Básicos de Ciencias Naturales.

Concluimos que el modelo de la clase invertida contribuyó al desarrollo de competencias científicas del curso Principios Básicos de Ciencias Naturales (Bio 210) de la Universidad de Panamá de manera significativa (p < 0.05).

El nivel de satisfacción en los estudiantes que participaron del curso de Principios de Ciencias Naturales (Bio 210) de la Licenciatura en Educación Primaria de la Universidad de Panamá, después de la intervención educativa con el MCI fue significativamente favorable con relación a la metodología propuesta (p < 0.05).

El tipo de bachillerato que presentaron los estudiantes participantes de la investigación, relacionado con áreas comerciales pudo influir en el desempeño académico durante la intervención académica para lograr las competencias científicas propuestas.

La falta de conectividad e interactividad con las redes informáticas que se observó durante la intervención pudo haber influido en el trabajo solicitado a los participantes, disminuyendo su motivación por el aprendizaje individualizado.

El tiempo de ejecución de la intervención educativa con el MCI debió ser mayor de 8 sesiones propuestas para obtener una mejor pertenencia y apropiación del proceso por parte de los estudiantes participantes.

Se recomienda que los docentes que utilicen el MCI como una estrategia metodológica deberán elaborar una guía de didáctica adecuada que describa los objetivo para realizar las actividades, antes, durante y después de las sesiones con los estudiantes. Esta guía se entregará con anticipación tanto a los estudiantes como al personal de apoyo.

Los docentes deberán conocer la conectividad con que cuenten sus estudiantes y la institución educativa para garantizar un adecuado uso de la metodología y los docentes que opten por el uso del modelo de clase invertida deberán capacitarse en los detalles que implican su uso, como es el grabar las clases en vídeos con un tiempo no mayor de 8 minutos para el estudio individualizado, con preguntas de estudio incorporadas para su discusión en las clases presenciales.

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