1. Introducción

Dos consideraciones de didácticas iniciales son de interés en el análisis que queremos presentar sobre como el modelo atómico de Thomson es introducido y utilizado en la enseñanza secundaria. La primera cuestión es relativa a la Transposición didáctica y la segunda al uso de modelos.

El concepto de Transposición didáctica es un objeto clave en la didáctica antropológica propuesta por Chevallard (1997). Este concepto implica la idea de saber científico y la manipulación sobre el mismo. Los procesos de aprendizaje escolar surgen de las prácticas de estudio organizadas por el profesor y, en este sentido, la enseñanza es diseño y ejecución de procesos didácticos. Además del propio concepto de Chevallard, es necesario añadir que estos procesos de transposición didáctica expresan pedagogía a partir de los objetivos que tienen para el sujeto en relación con el saber y la cultura dominante. Esta ampliación de la perspectiva pedagógica es clave para aproximarse a los procesos didácticos concretos.

La Transposición didáctica se considera como el proceso de adaptaciones realizadas a los saberes para que el conocimiento erudito se transforme en conocimiento a enseñar y finalmente se traduzca en conocimiento enseñado. En una forma más concreta, Chevallard señala: “La transformación de un contenido de saber preciso en una versión didáctica de ese objeto de saber puede denominarse más apropiadamente transposición didáctica stricto sensu. Pero el estudio científico del proceso de transposición didáctica supone tener en cuenta la transposición didáctica sensu lato, en donde el primer eslabón marca el paso de lo implícito a lo explícito, de la práctica a la teoría, de lo preconstruido a lo construido”.

Figura 1. Portada del libro online “La Trasposición didáctica” de Chevallard.

Podemos acercarno a la argumentación de Chevallard en el siguiente recurso en Youtube de las profesoras Antonella Fontana y Joana Taborda.

 Video 1. Rcurso en Youtube de las profesoras A. Fontana y J. Taborda.

La segunda consideración didáctica de interés aquí se refiere a los modelos científicos. En forma breve y directa, son los medios con que los científicos representan el mundo, tanto para sí mismos como para los demás. El objetivo que persiguen es interpretar los fenómenos del mundo y actuar sobre ellos. Para ello, los científicos relacionan los fenómenos (reales) con modelos (teóricos) mediante proposiciones o hipótesis teóricas (Izquierdo et al, 1999). Estas hipótesis son entidades lingüísticas que funcionan como enunciados que afirman una relación de semejanza entre el modelo y lo real. El modelo es una representación de la situación de la que se quiere dar cuenta, por ello no es en sí mismo ni verdadero ni falso. Cuantos más aspectos y en mayor grado se aproxime el modelo a la realidad mejor será el mismo. La complejidad de la formulación y el grado de abstracción que alcanzan la mayoría de los modelos científicos vigentes obstaculizan su traslado inmediato al aula y han sido la causa de la generación de diferentes herramientas didácticas que posibiliten la enseñanza del conocimiento científico desde un piso conceptual diferente al que manejan los expertos.

En Galagovsky y Aduriz-Bravo (2002) los autores consideran los modelos didácticos como re-representaciones escolares de los modelos científicos, que se articulan a través de la transposición didáctica. Los buenos modelos didácticos funcionan como facilitadores del acceso de los alumnos al nivel más alto de representación de las disciplinas científicas, posibilitan la construcción gradual de los saberes desde las formas más intuitivas y empíricas hasta las más estructuradas y teóricas. Para ello, es necesario que el docente haga explícitas las limitaciones de los modelos didácticos y su relación con los modelos científicos, también limitados, además de provisionales y perfectibles (Meinardi y Aduriz-Bravo, 2002).

El modelo didáctico, por tanto, debe facilitar el acceso del alumno al modelo científico, pero en ningún caso se debe convertir en una simple simplificación de ese modelo, dejando a un lado los aspectos más complejos del mismo, cuando, en la mayoría de los casos, son esenciales para una correcta comprensión del modelo. De este modo, en muchas ocasiones, los modelos didácticos presentes en los libros de texto desvirtuan el modelo científico como tal, ya sea porque no se incluyen aspectos esenciales para su comprensión o porque dichos aspectos son tratados de forma incorrecta.

2. Problema de investigación

Un campo de la historia y de la didáctica de las ciencias, especialmente considerado a este respecto es el de la estructura atómica. En el transcurso de no muchos años, Thomson, Rutherford o Bohr, entre otros, propusieron diferentes modelos sobre el átomo. La complejidad, tanto matemática como teórica, y la necesidad de un grado de abstracción elevado para comprenderlos supuso un desafío para la didáctica de las ciencias En la actualidad numerosos investigadores en didáctica continúan trabajando sobre los procesos de transposición didáctica de estos modelos debido a que en los libros de texto se pueden observar numerosas deficiencias y errores en los modelos didácticos de los mismos (Cid y Dasilva, 2012). Un caso especialmente interesante a este respecto es el del modelo atómico de J.J. Thomson, el cual, por lo general, se presenta de forma sumamente breve y con numerosas inexactitudes y carencias. Por ello, este estudio gira en torno a este modelo y como es presentado en los libros de texto que se utilizan en las aulas de la Educación Secundaria Española.

Figura 2. Joseph John Thomson (1856-1940). Acceso breve biográfico.

Se realiza, en primer lugar, una investigación sobre los aspectos que más interés tienen a la hora de llevar este modelo atómico al aula de secundaria. Acercarse a las propuestas de Thomson en profundidad y con el adecuado rigor científico implica un trabajo minucioso de revisión directamente sobre las fuentes originales. Por ello, los contenidos que fueron objeto de análisis, están extraídos de las conferencias impartidas en la Universidad de Yale en Mayo de 1903 por el propio Thomson sobre electricidad y materia, y recogidas y editadas en Agosto de ese mismo año en la Universidad de Cambridge con la supervisión del propio físico inglés (Thomson, 1904)

Figura 3. Portada de libro “Electricity and matter”. Acceso online.

Estos contenidos son:

- Historia del modelo atómico de Thomson

- La estructura atómica de la electricidad

- La estructura del átomo

- Organización de corpúsculos en el átomo

Hacer que los alumnos conozcan ejemplos concretos de cómo se han ido introduciendo, construyendo, evolucionando y, también, sustituyendo los conceptos, los modelos y las teorías, facilitará su comprensión y proporcionará una imagen más ajustada de lo que supone el trabajo científico.

En los últimos años, una de las líneas más importantes de la didáctica de las ciencias ha consistido en el desarrollo de una enseñanza basada en la elaboración y construcción de modelos. En efecto, una serie de investigadores/as (Izquierdo-Aymerich y Adúriz-Bravo, 2003; Erduran y Duschl, 2004; Joshua y Dupin, 2005; Develaki, 2007; Justi, 2006; Koponen, 2007; Sensevy et al., 2008; tomados de Aduriz-Bravo, 2010) señalan los diferentes valores que tendrían tales modelos tanto para la educación científica como actividad, como para la didáctica como empresa académica que estudia tal actividad con el fin de mejorarla.

En opinión de estos autores/as, las aportaciones recientes de la filosofía de la ciencia en torno a la idea de modelo resultan enriquecedoras a la hora de enseñar algunos modelos científicos importantes y, al mismo tiempo, de reflexionar metateóricamente sobre la naturaleza de los modelos con nuestros/as estudiantes.

Además, ya que los modelos actúan como intermediarios entre las teorías y las experiencias es importante para el alumno aprender a usar diversos modelos de forma simultánea reconociendo las ventajas y limitaciones de cada uno de ellos. (McKagan et al., 2008).

En este sentido, es importante analizar los procesos de transposición didáctica empleados en los libros de texto con el objetivo de descubrir deficiencias y mejorarlos teniendo como referencia el conocimiento científico original.

Así, en este trabajo, después de realizar una revisión en profundidad sobre las propuestas originales de Thomson acerca de la estructura de la materia, se definen una serie de puntos que se consideran clave a la hora de presentar estos contenidos en los libros de texto y se realiza una revisión sobre las posibles deficiencias que puedan existir en distintas propuestas editoriales acercas de este contenido. Los libros de texto que se analizan corresponden a los utilizados en los cursos de educación secundaria en diferentes años. Los resultados obtenidos ponen de relieve diversos puntos que se consideran deficiencias importantes del proceso de transposición didáctica y que dificultan el aprendizaje del alumnado.

3. Metodologia

El modelo atómico de Thomson que generalmente se presenta en libros de texto y manuales de física y química se basa en que el átomo consiste en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas de una sandía. Este sencillo modelo explica el hecho de que la materia sea eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la carga negativa. Como limitaciones los libros destacan que el átomo no es macizo ni compacto como defendía Thomson (lo cual no es del todo cierto).

En cualquier caso, esta visión del modelo atómico es demasiado simplista y conviene hacer una revisión en profundidad para conocer la naturaleza de las propuestas del físico británico (Thomson, 1904; Thomson, 1907) y, desde ese punto, valorar las deficiencias e inexactitudes con las que se presenta este modelo atómico en los libros de texto. No obstante, debemos indicar que estamos hablando de simplismo y no de simplicidade. Es decir, ante un modelo físico-matemático complejo debemos proponer un esfuerzo simplificador, pero no hasta el punto de caer en el simplismo que acaba por hacer desaparecer o que é máis fundamental nese modelo.

Figura 4. Portada de libro “The corpuscular theory of matter”. Acceso online.

Sobre la base del estudio histórico y epistemológico que se ha realizado, se realiza un análisis que permita contrastar en que medida los libros de texto incorporan aspectos clave sobre el modelo de Thomson.

Estos aspectos clave se detallan y describen a continuación:

1. Los corpúsculos están en movimiento en el modelo de Thomson. Como se ha destacado en la introducción, Thomson considera, a parte del estado estacionario de los corpúsculos, un estado de movimiento en orbitas circulares alrededor del centro de la esfera atómica.
2. El modelo de Thomson tiene carácter predictivo. El modelo de Thomson era tanto cualitativo como cuantitativo explicando fenómenos como los espectros atómicos, la radioactividad, el enlace, la dispersión de partículas α y β, la valencia de los elementos, propiedades periódicas…
3. El modelo de átomo de Thomson es un modelo general. Thomson no propone la estructura del átomo de ningún elemento en concreto, el modelo no representa átomos reales. Thomson desconocía el número de electrones que contenían los átomos. Suponía un número mayor a 1000.
4. Periodicidad de las propiedades atómicas. Thomson distribuye los electrones en órbitas concéntricas y propone que las semejanzas en las distribuciones encontradas estaban relacionadas con las semejanzas entre los elementos en el sistema periódico.
5. El modelo atómico propuesto es resultado de experimentos científicos. Thomson realiza numerosos experimentos para determinar diferentes aspectos del átomo como pueden ser la relación masa-carga de los electrones o la estructura interna del mismo. Debido a ello, es importante señalar ese proceso y no presentar el modelo desde un punto de vista puramente descriptivo e incompleto.
6. Muchas de las deficiencias del modelo atómico eran conocidas por Thomson. Tanto la comunidad científica como el propio Thomson eran conscientes que el modelo tenía deficiencias importantes y que no podía ser un modelo definitivo.

En base a estos criterios anteriormente señalados se evalúan distintas propuestas editoriales y se analiza el proceso de transposición didáctica realizado para este modelo atómico. En relación a los libros de textos utilizados en el estudio hay que decir que se corresponden con editoriales que están muy presentes en los centros educativos españoles, y que sirven de soporte real para el análisis. No tenemos dudas de que la elección de otras editoriales no implicaría cambios significativos en los resultados.

4. Resultados y discusión

En la Tabla 1 se presentan los resultados encontrados en cada uno de los textos. En cada caso, se indica la editorial, el año de edición y la ley orgánica de educación vigente. Todos los textos estudiados se corresponden a la etapa de Educación Secundaria en aquellos cursos donde se tratan los modelos atómicos. Respecto a la catalogación de los resultados; S significa que se menciona dicho aspecto, N que no se menciona y D que se menciona, pero en un modo deficiente o que no se ajusta al conocimiento científico.

En lo que se refiere al modelo atómico, ningún texto hace referencia al movimiento de los electrones, un aspecto fundamental en el razonamiento de Thomson acerca del átomo. En todos los casos en los que se menciona dicho modelo se hace referencia a un modelo en el que los electrones se encuentran en un estado de reposo en la parte externa de una esfera maciza de carga positiva.

En ningún caso, se destaca que el átomo que describe Thomson es un átomo general y no un modelo para átomos de elementos específicos, debido a que Thomson no conocía el número de electrones contenidos por un átomo de hidrógeno. Así, tampoco se destaca que Thomson suponía que la masa del átomo era en su mayor parte debida a los electrones, destacando, o al menos dando a entender en algunos textos, que se debía a la esfera de carga positiva.

Al igual que pasa con los demás modelos atómicos, se presenta un modelo fundamentalmente descriptivo sin capacidad predictiva y explicativa. No se hace referencia a los fenómenos de radioactividad que intentó explicar Thomson, ni tampoco a la relación de la disposición de los corpúsculos en el átomo y las semejanzas periódicas en las propiedades de las sustancia elementales. Destacar estos puntos resulta fundamental si lo que se quiere es que el alumno conozca la naturaleza del modelo científico.

No se dice nada en los textos acerca de los fenómenos que Thomson intentaba explicar, como pueden ser los espectros atómicos o el enlace químico, entre otros. Se presenta un modelo totalmente vacío y descontextualizado, sin conexión con alguna con la realidad y como “salido de la nada”.

En los casos en los que se menciona algún experimento que realizó Thomson en su investigación se presenta el tubo de descarga en gases a baja presión. Este experimento se describe de forma totalmente superficial e inconexa, considerando muy complicado que un alumno con la información que se le proporciona sea capaz de entender el proceso. Además, se presenta el experimento totalmente aislado del modelo y falto de un razonamiento adecuado que permita llegar a las conclusiones de Thomson que incluyen al electrón como constituyente fundamental del átomo. Se considera inútil presentar el experimento de la forma expuesta en los libros de texto analizados, siendo más conveniente no mencionarlo que hacerlo de este modo. Lo único que puede provocar es confusión si no hay una ampliación de contenidos importante por parte del docente.

Por otra parte, la importancia que se le da al modelo de Thomson en el tema de las estructura del átomo es mínima en el mejor de los casos. En una buena parte de los textos el modelo ni se menciona o se dedican apenas un par de líneas. Partiendo de la base de que es el primer modelo que hace referencia a la estructura del átomo, que tiene carácter predictivo y cuantitativo y que explica fenómenos como la formación de iones, la corriente eléctrica o el enlace químico es llamativo el hecho de que tan sólo se dediquen unas líneas en algunos textos. Además resulta fundamental, tanto para la historia del átomo como para la comprensión de los modelos posteriores un adecuado razonamiento acerca de este modelo y el modelo anterior de Dalton.

5. Conclusiones

De forma breve se indican en la figura siguiente las principales conclusiones:

Figura 5.Conclusiones en forma resumida.

En una forma un poco más amplia indicamos a continuación estas conclusiones.

- Los libros de texto, en su mayoría, dan una importancia mínima al modelo atómico de Thomson, cuya importancia es capital para el alumno en la comprensión de la estructura del átomo.

- El modelo se presenta con numerosas deficiencias e inexactitudes. No se hace referencia al movimiento de los electrones y se expone que en el modelo la masa del átomo es fundamentalmente debida a la esfera de carga positiva, cuando Thomson pensaba que era debida a los electrones. Esto provoca que el alumnado adquiera un idea errónea acerca de las propuestas de Thomson.

- El modelo se presenta de forma descontextualizada y alejado de la realidad, provocando un aprendizaje superficial. Si lo que se busca es un aprendizaje profundo para que los alumnos sean capaces de interiorizar el modelo y entender el mundo a través del conocimiento científico, esta forma de exponer los contenidos no es adecuada.

- No se destaca la capacidad predictiva y explicativa del modelo. Por el contrario se destacan numerosas limitaciones del mismo. Esto transmite una idea errónea al alumnado y no destaca la importancia de un modelo fundamental que significó un avance sin precedentes en la historia de la estructura materia.

- En ninguno de los textos destaca los brillantes razonamientos de Thomson a partir de los resultados experimentales y solo se expone el resultado final. Esto a lo largo de la vida educativa del alumno transmite un idea de desconfianza acerca del conocimiento científico. La ciencia se basa en la evidencia y es importante transmitir esta idea  al alumnado, y no transmitir conocimientos aislados.

Finalmente, queremos señalar, a la vista de todo lo indicado, que el abordaje de los modelos atómicos debe hacerse teniendo en cuenta de forma más explícita los procesos implicados en su construcción, las explicaciones a los hechos aceptados por la comunidad científica en su tiempo, las respuestas que dan a las preguntas científicas del momento, y los nuevos interrogantes que plantean.

En lo que se refiere al modelo atómico, ningún texto hace referencia al movimiento de los electrones, un aspecto fundamental en el razonamiento de Thomson acerca del átomo. En todos los casos en los que se menciona dicho modelo se hace referencia a un modelo en el que los electrones se encuentran en un estado de reposo en la parte externa de una esfera maciza de carga positiva.

En ningún caso, se destaca que el átomo que describe Thomson es un átomo general y no un modelo para átomos de elementos específicos, debido a que Thomson no conocía el número de electrones contenidos por un átomo de hidrógeno. Así, tampoco se destaca que Thomson suponía que la masa del átomo era en su mayor parte debida a los electrones, destacando, o al menos dando a entender en algunos textos, que se debía a la esfera de carga positiva.

Al igual que pasa con los demás modelos atómicos, se presenta un modelo fundamentalmente descriptivo sin capacidad predictiva y explicativa. No se hace referencia a los fenómenos de radioactividad que intentó explicar Thomson, ni tampoco a la relación de la disposición de los corpúsculos en el átomo y las semejanzas periódicas en las propiedades de las sustancia elementales. Destacar estos puntos resulta fundamental si lo que se quiere es que el alumno conozca la naturaleza del modelo científico.

No se dice nada en los textos acerca de los fenómenos que Thomson intentaba explicar, como pueden ser los espectros atómicos o el enlace químico, entre otros. Se presenta un modelo totalmente vacío y descontextualizado, sin conexión con alguna con la realidad y como “salido de la nada”.

En los casos en los que se menciona algún experimento que realizó Thomson en su investigación se presenta el tubo de descarga en gases a baja presión. Este experimento se describe de forma totalmente superficial e inconexa, considerando muy complicado que un alumno con la información que se le proporciona sea capaz de entender el proceso. Además, se presenta el experimento totalmente aislado del modelo y falto de un razonamiento adecuado que permita llegar a las conclusiones de Thomson que incluyen al electrón como constituyente fundamental del átomo. Se considera inútil presentar el experimento de la forma expuesta en los libros de texto analizados, siendo más conveniente no mencionarlo que hacerlo de este modo. Lo único que puede provocar es confusión si no hay una ampliación de contenidos importante por parte del docente.

Por otra parte, la importancia que se le da al modelo de Thomson en el tema de las estructura del átomo es mínima en el mejor de los casos. En una buena parte de los textos el modelo ni se menciona o se dedican apenas un par de líneas. Partiendo de la base de que es el primer modelo que hace referencia a la estructura del átomo, que tiene carácter predictivo y cuantitativo y que explica fenómenos como la formación de iones, la corriente eléctrica o el enlace químico es llamativo el hecho de que tan sólo se dediquen unas líneas en algunos textos. Además resulta fundamental, tanto para la historia del átomo como para la comprensión de los modelos posteriores un adecuado razonamiento acerca de este modelo y el modelo anterior de Dalton.