Explicaciones acerca de fenómenos relacionados con el volumen de líquido desplazado por un sólido en inmersión, con la densidad y con la flotación, en alumnado de Educación Secundaria Obligatoria

Compulsory Secondary Education students explanations regarding phenomena related to the volume of liquid moved by a immersed solid, to the density and to the buoyancy

Como es ampliamente reconocido en nuestra área, a la hora de enseñar ciencias, es frecuente encontrarse en las aulas, la existencia de ideas o concepciones alternativas en el alumnado respecto a los conceptos científicos que se pretenden tratar. Estas concepciones son construcciones personales que los individuos generan ante la necesidad de explicar los fenómenos que ocurren a su alrededor. Una explicación que contradiga una construcción personal (como una interpretación científica) compite con ella y puede resultar rechazada (Bello 2004), de ahí las dificultades para su modificación.

Otro motivo de la persistencia en el tiempo y resistencia al cambio de estas explicaciones es que pueden encontrarse sistematizadas en esquemas conceptuales, con cierto grado de organización (Oliva 1999; Criado y Cañal 2003). En este caso, son más difíciles de modificar porque no se trata de cambiar una idea aislada sino derrumbar toda una estructura conceptual.

La existencia de estas ideas, que compiten con los conceptos de la ciencia escolar que se pretenden enseñar, no debe ignorarse sino que las concepciones específicas relativas al tópico abordar deben ser un punto de partida del proceso de enseñanza. En el caso que tratamos, por ejemplo, ha de tenerse muy en cuenta, por su extensa aceptación, la falta de peso de los cuerpos como causa de su flotabilidad (Furió, Solbes y Carrascosa 2006).

Con el objeto de abordar este tipo de dificultades, las investigaciones realizadas en Didáctica de las Ciencias aconsejan propiciar la mejora de la forma de argumentar del alumnado acerca de los distintos tópicos científicos (Konstantinidou, Cerveró y Castells 2010). Ello será posible, llevando a cabo un cambio metodológico en las formas de aprender y enseñar, que convierta al estudiante en un elemento activo del proceso de enseñanza-aprendizaje.

El presente trabajo planteó con la intención de estudiar las explicaciones del alumnado acerca de fenómenos relacionados con el volumen que desplaza un sólido cuando se sumerge en un líquido y acerca de fenómenos relacionados con la densidad, en concreto con la justificación de la flotación de los cuerpos.

Aunque pueda resulta más intuitivo interpretar la flotación de los cuerpos en función de un equilibrio de las fuerzas peso y empuje (Mazzitelli, Maturano, Núñez y Pereira 2006), hay que tener en cuenta que, si se siguen las estipulaciones del currículo, el alumnado que acaba tercero de ESO y comienza cuarto, aún no ha estudiado el concepto de fuerza pero sí el de densidad y, en algunos casos, ha tratado el fenómeno de la flotación.

Como la experimentación que se expone en este trabajo tuvo lugar a principios de la primera evaluación en cuarto de ESO, (cuando se estaban recordando las propiedades generales y específicas de la materia), se abordó la flotación como una forma de hacer ver una aplicación del concepto de densidad. De ahí que se analizaron ejemplos donde comparar los valores de las densidades de un líquido y del sólido inmerso en él (magnitudes que forman parte de las expresiones del empuje del líquido y del peso del sólido, respectivamente). Dado que en ese momento del curso aún no se había introducido el concepto de fuerza, no era lógico interpretar la flotabilidad a partir de un equilibrio de fuerzas. Por otro lado, entender cuál es el factor que influye en el volumen de líquido desalojado por un sólido completamente inmerso en él y ser consciente de que, en contra de la intuición, hay otros factores que no afectan, constituye un aspecto que completa una buena comprensión del concepto de volumen tratado en ese momento del curso. Además se aborda para salvar, las concepciones al respecto, antes de abordar el estudio del empuje que ejercen los fluidos.

La elección de esta temática se justifica por tratarse de conceptos básicos en la construcción del conocimiento de la Física (Mazzitelli et al. 2006). Aún siendo conceptos muy elementales, la dificultad que entrañan para alumnos que han pasado sobradamente la adolescencia, ha sido corroborada a lo largo de la experiencia docente de los autores de esta investigación. De forma que se ha constatado que es necesario, incluso, abordar la diferenciación entre los conceptos de masa y volumen, (frente a la concepción alternativa que supone una indisociación entre éstos) y no digamos analizar la relación que hay entre masa y volumen, según que los objetos a comparar sean o no del mismo material (Bullejos y Sampedro 1990).

En la Figura 1 se muestran, de forma esquemática, los conceptos a los que hemos hecho alusión en líneas precedentes, muchos de los cuales son objeto de nuestra investigación.

Figura 1.
Relación entre los conceptos que vertebran el estudio.

La hipótesis de trabajo, (basada en nuestra experiencia profesional con alumnado de educación secundaria y maestros en formación), consiste en suponer que la presencia de concepciones alternativas clásicas relacionadas con esta temática está, todavía, altamente extendida en estos alumnos debido probablemente a que no han calado en la práctica docente las prescripciones de la Didáctica de las Ciencias. Por tanto esas ideas, que en las líneas siguientes describiremos, aparecerán también en nuestra muestra. Ya Fernández (1987), hace más de dos décadas, detectaba que, dos meses después de la enseñanza de hidrostática, persistían concepciones alternativas en torno al volumen de líquido desalojado por un sólido en inmersión. Ante cierto sabor de fracaso en una propuesta de enseñanza, en la que se habían anticipado e intentado superar estos obstáculos, el autor concluía preguntándose por el nivel madurativo intelectivo (insuficiente) de los estudiantes encuestados. Sin embargo, la permanencia de estas dificultades en niveles en los que ya deberían estar superadas, no reside (creemos), en una excesiva demanda cognitiva de estos conceptos en relación con el probable estado de maduración intelectiva genérica de los estudiantes, sino en que las concepciones y la forma de razonar de los sujetos dependen del contenido específico de que se trate. Esa dependencia del contenido conllevaría, según las prescripciones de la Didáctica de las Ciencias, un tratamiento ad hoc para que dichos obstáculos sean superados. Por tanto suponemos que la presencia de dichas ideas en alumnos mayores se debe a que en que en ningún momento del paso por el sistema educativo se han abordado este tipo de explicaciones, como se prescribe en el área. Es decir, no se ha prestado suficiente y reiterada atención a la necesidad de hacerlas explícitas, ni se ha dedicado tiempo a que los estudiantes tengan ocasión de compararlas con interpretaciones físicas adecuadas, y todo ello en una gran variedad de ejemplos.

Con respecto a las dificultades con el concepto de densidad, además de lo que se acaba de exponer, puede que al tratar estas cuestiones no se haya puesto al alumnado en situación de ser conscientes de las propias restricciones en el razonamiento y funcionamiento cognitivo humano. Ello implica que, espontáneamente, sólo se tengan en cuenta las propiedades sensibles de los objetos y sólo se contemplen variables simples (peso, masa, fuerza, longitud, tiempo,...), pero que no se haga uso (diferenciado) de variables definidas en función de otras magnitudes (como densidad, concentración, presión, velocidad,...). Ello tiene sus consecuencias, especialmente, cuando se trata de esas magnitudes definidas (cuantitativamente) como una relación entre otras dos variables simples, como sucede con los ejemplos mencionados. En estos casos, es habitual que la tendencia intuitiva del alumnado consista en simplificar las explicaciones sobre las causas de los fenómenos. Siendo frecuente que tienda a identificar esas variables (no simples), como la densidad, etc. con la magnitud que aparezca en el numerador de la relación, es decir: la cantidad de masa o de sustancia, la fuerza, el espacio recorrido, etc., (Criado 2010).

Así, Havu-Nuutinen (2012) señala que, en la justificación de fenómenos como la flotación de los cuerpos, los estudiantes con edades comprendidas entre los 15 y 17 años recurren en pocas ocasiones al concepto de densidad y muchas al peso o a la masa de los cuerpos que flotan. De modo que, aunque los fenómenos relativos a la flotabilidad de los cuerpos sean algo cotidiano, ofrecer una explicación adecuada desde el punto de vista físico, puede resultar complejo para muchos estudiantes (Joung 2009).

Pero además, cada uno de los propios conceptos relacionados en la densidad, como son la masa y el volumen, fundamentales en el aprendizaje de las ciencias en niveles inferiores, no son plenamente asimilados. Así, no se conserva la masa en los cambios de estado; o no se disocian peso y volumen; o no se aceptan los factores que no afectan al volumen de líquido desplazado por un sólido en inmersión; etc.). Estas dificultades pueden persistir en niveles superiores, incluso universitarios. Éstos y otros obstáculos, han sido descritos (Raviolo, Moscato y Schnersch 2005), como sigue:

• No son capaces de diferenciar, claramente, los conceptos de masa, volumen y densidad; asignando características propias de uno a otro.

• No establecen relaciones entre las tres variables que conforman la expresión de la densidad sino que, únicamente, relacionan las variables por parejas.

• No diferencian la densidad de las propiedades extensivas, que sí dependen de la cantidad de sustancia del cuerpo o material.

• No contemplan la densidad como una de las propiedades características, que permite diferenciar unas sustancias puras de otras.

• No conocen la influencia de la temperatura y la presión sobre la densidad.

• Suelen asociar cambios de forma con cambios de volumen y, consecuentemente, de densidad.

• No tienen claro la diferencia entre densidad y viscosidad.

De estos trabajos de investigación se deduce que, en los últimos 20 años, no están dando resultado las estrategias de enseñanza-aprendizaje habituales en las aulas, al tratar fenómenos relacionados con la densidad. De ahí que siga siendo necesario que trabajos como el que presentamos analicen en mayor profundidad dónde puede estar la raíz del problema a la vez que se reclame la transferencia de los resultados de investigación a la práctica educativa, desde los propios artífices de la misma, como es este caso (profesores que investigan sobre su práctica).

Ya en trabajos anteriores Bullejos y Sampedro (1990) señalaban que, el alumnado en torno a 16 años, presenta dificultades al diferenciar los conceptos de masa y volumen, así como en la justificación de las causas de la flotación y en la utilización de la densidad como propiedad característica de cada tipo de sustancia pura. Pero para trazar las líneas de mejora en las estrategias de enseñanza, es necesario que el propio profesorado realice un análisis de la demanda cognitiva (Shayer y Addey 1986) del material a enseñar.

La explicación del concepto de flotación de los cuerpos requiere del pensamiento formal (Corona, Slisko y Meléndez 2007), si se opta por hacerlo mediante una comparación de densidades (como hicimos en este caso, por las razones curriculares anteriormente aludidas). La densidad se considera un concepto formal porque se trata de una magnitud, no directamente perceptible; (como lo son el peso o el volumen), que además está definida en función de otras dos; amén de que la relación entre estas es un cociente (no es multiplicativa como el caso de los lados de un rectángulo y su área, estudiados en Educación Primaria).

Según la teoría piagetiana, los estudiantes con edades comprendidas entre los 7 y los 10 años poseen lo que se conoce como pensamiento concreto, es decir, necesitan percibir directamente atributos de los conceptos, y en el caso de relaciones entre variables, no pueden relacionarlas más que de dos en dos. Sin embargo, a los sujetos de edades que superen los 11 años se les supone una capacidad para considerar variables definidas en función de otras magnitudes (densidad, concentración, presión, velocidad,...). Además podrían establecer relaciones entre más de dos variables, simultáneamente (como voltaje, intensidad y resistencia en la ley de Ohm, etc.).

En lo relativo al concepto de densidad, Shayer y Adey (1986) señalan que, para que el estudiante llegue a comprender la relación entre variables en las que intervienen razones (d = m/V), estos deben haber alcanzado el pensamiento formal inicial. Este pensamiento capacitaría al alumnado a comprender una relación sencilla entre variables, como es el caso del producto o cociente de dos variables. Si se definiese la densidad de una sustancia (homogénea) como la masa que tiene cada trocito de 1 cm3 de sustancia, se está fijando el valor del volumen y se están relacionando dos de las variables (masa y densidad). Según se ha expresado antes, ello no debe suponer un problema para individuos en estadio concreto avanzado. Sin embargo, si se proyecta la utilización del concepto de densidad, en su sentido más genérico y se pretenden relacionar tres variables a la vez, los escolares en etapa concreta tendrán dificultades.

En este sentido, existen trabajos (Blanche 1983) que señalan que la asimilación del concepto de densidad, es la culminación de un largo proceso de construcción de las intuiciones, percepciones y operaciones, posiblemente comenzando en la infancia. Esta construcción se realizará paralelamente a la adquisición del pensamiento formal.

Si, además, hablamos de comparar densidades, desde el punto de vista de la comparación de razones, no será nada sencillo, ni siquiera para un adolescente. El pensamiento formal inicial permitiría:

• Comprender el concepto de volumen y asociar el volumen desplazado por un cuerpo inmerso en un líquido con el volumen del cuerpo, no con el peso de este o la profundidad de inmersión.

• Utilizar la relación m/V para justificar los fenómenos relacionados con la flotación de los cuerpos. (No obstante, algunas explicaciones de niños de 8 años están muy próximas a esta idea: "... cuando la plastilina se modela en forma de cuenco flota porque hace un mayor agujero en el agua que cuando tiene forma de bola y el agua le da así un mayor empuje hacia arriba" (Carretero 1980).

Pero, para llegar utilizar la relación de densidades entre el sólido y el líquido donde se encuentra inmerso (Hsin y Wu 2011) necesitaría de un pensamiento formal avanzado.

Hoy día hay muchas evidencias de la dependencia del contenido específico sobre el que razonar, a la hora de que un sujeto muestre una actuación formal. Por ejemplo, Carretero y León (citado en Nortes y Martínez 1994) niegan el carácter universal del pensamiento formal. Argumentan que no todas las cuestiones planteadas a los estudiantes presentan la misma dificultad, por lo que el contenido de cada tarea concreta es una variable adicional. Por último, no todos los estudiantes alcanzan a la misma edad este pensamiento, sino únicamente la mitad de estos. También se señala la enseñanza recibida por cada estudiante como otra variable a tener en cuenta.

Otro aspecto a tener en cuenta es la consideración de las concepciones como esquema explicativo. Este concepto se refiere al conjunto de todas aquellas ideas que utilizan los estudiantes para justificar un fenómeno determinado. Podemos diferenciar, además, entre esquema explicativo monocausal (un efecto sólo tiene una causa) y esquema explicativo multicausal (la explicación de un efecto conlleva el uso simultáneo de dos o más causas). Fenómenos como el de la flotación, se pueden justificar con las fuerzas peso y empuje, o bien con la razón de densidades entre el cuerpo que flota y el líquido en el cual éste está inmerso. Lo cual indica que el esquema explicativo adecuado para la interpretación de este fenómeno es necesariamente multicausal. Sin embargo, los estudiantes utilizan esquemas monocausales en la explicación de la flotabilidad, estando la mayoría de ellos relacionados con el peso del objeto y en menor proporción con su forma o la presencia de espacios con aire dentro del mismo (Madrigal y Slisko 2010).

Con respecto al volumen que desplaza un sólido cuando se sumerge en un líquido, Fernández (1987) llega a las siguientes conclusiones en su trabajo para estudiantes de edades similares a los de nuestro estudio:

• Un número alto de estudiantes no relaciona, en absoluto, el volumen de líquido desplazado por el sólido con el volumen de éste.

• Existe una relación, para muchos estudiantes, entre el peso o la masa del sólido y el volumen de líquido desalojado.

Para completar este análisis, concluimos haciendo una revisión de la legislación vigente: el Real Decreto 1105/2014, de 26 de diciembre, por el que se establece el currículo básico de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato y donde se establecen los estándares de aprendizajes evaluables, hace referencia de forma explícita a la densidad y al principio de Arquímedes. En lo relativo a Física y Química de segundo y tercero de ESO, dentro del bloque 2 (La materia), se establece como uno de los estándares evaluables la determinación experimental de masas y volúmenes de sólidos, así como el cálculo de su densidad (MECD 2015). Y, por otro lado, en Física y Química de cuarto de ESO dentro del bloque 4 (El movimiento y las fuerzas), otro de los estándares de aprendizaje evaluable se relaciona con la predicción de la flotabilidad de objetos y la utilización del principio de Arquímedes (MECD 2015). Con ello queda ubicado nuestro estudio en el currículum, desde el punto de vista legislativo.

Como se comentó con anterioridad, la primera pregunta del cuestionario está relacionada con el volumen desalojado por un sólido y, las tres siguientes, con la flotación de sólidos en líquidos, ordenadas según complejidad creciente (a juicio de los investigadores). Los resultados obtenidos se presentan a continuación.

Volumen de líquido desalojado frente a peso de sólido y profundidad de inmersión

Esta pregunta tiene el objetivo de conocer con qué conceptos relacionan los estudiantes el volumen desplazado por un sólido al sumergirse en un líquido. En particular, queremos averiguar si razonan que sólo influye el volumen del sólido inmerso o si poseen las concepciones alternativas frecuentes descritas en la bibliografía. Los resultados se presentan, (en la Tabla 2), para cada uno de los dos apartados 1.a) y 1.b) que constituyen la primera cuestión. El apartado a) corresponde a la relación entre el volumen desalojado con el peso o masa de los diferentes cuerpos, mientras que el apartado b) tiene que ver con la profundidad de inmersión de estos.

Para el apartado 1.a), en la tabla 2 se observa que más de la mitad de los estudiantes, (un 58%), se encuentran en el Nivel 1: relacionan el volumen desalojado por un sólido en inmersión con la masa o el peso de éste, afirmando, por ejemplo, que “la esfera de hierro desplazará mayor volumen que el resto, debido a su peso”. El 13% de los estudiantes aporta una respuesta correcta pero presentan dificultades en su justificación (Nivel 2). Únicamente un 20% del alumnado responde de forma adecuada y razonada a esta cuestión (Nivel 3).

Tabla 2.
Número de estudiantes clasificados por niveles en la Pregunta 1 ( N=24)

Con respecto al apartado 1.b), la mayoría de los estudiantes se encuentran entre los niveles 1 y 2, sobre un 38% para cada nivel. Los del Nivel 1 están convencidos que el volumen de líquido desplazado depende de la profundad a la que se sumerge el sólido: “cuanto mayor sea la profundidad, mayor será el volumen que sube el líquido”. Los estudiante situados en el Nivel 2 de no tienen los conocimientos claros, puesto que una respuesta correcta sin la justificación podría haberse dado de forma aleatoria. (Habida cuenta de que se les había insistido dicha justificación, tanto por escrito, como oralmente). Resta comentar que sólo un 17%, responde de forma adecuada, razonando que sólo el volumen del sólido completamente inmerso, influye en la cantidad de fluido desplazado.

El hecho de que sólo un 20% de los estudiantes de la muestra conteste apropiadamente confirma nuestra suposición inicial de que encontraríamos (como viene siendo habitual en nuestras clases), una gran proporción de estudiantes con las concepciones alternativas clásicas en torno a los factores que influyen en el volumen de fluido desplazado.

Flotación de sólidos con distinta densidad

El objetivo que se persigue con la segunda pregunta es saber si los estudiantes relacionan correctamente la flotabilidad de los cuerpos en líquidos con la diferencia entre los valores de propiedades intrínsecas de cada uno de ellos como la densidad. Deben conocer que, si un cuerpo posee menor densidad que el líquido en el que se encuentra, flotará en éste; si su densidad es similar, quedará suspendido en su seno y, si la densidad del sólido es mayor que la del líquido, se hundirá.

Los datos resultantes, se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3.
Número de estudiantes clasificados por niveles en la Pregunta 2 (N=24)

Estos datos indican que una mayoría de estudiantes, aproximadamente un 54%, responde de forma correcta y razonada a la cuestión planteada. Estos estudiantes se encontrarían en el Nivel 3. Sin embargo, un 33% del alumnado se encuentra en el Nivel 1. Estos estudiantes justifican la situación planteada mediante el uso de conceptos como el peso o la masa de los sólidos. No comparan propiedades de los materiales que componen los sólidos y propiedades del líquido en que se sumergen. Afirman que “si pesa poco flota y si pesa mucho se hunde”. Es decir, utilizan un criterio de tipo monocausal, al que nos referíamos al principio. La baja frecuencia en los niveles 0 y 2 nos permite afirmar que la muestra se distribuye en dos grupos con una clara diferencia de conocimiento adecuado en lo relativo a la relación entre masa o peso y densidad y cómo afectan a la flotabilidad: los que diferencian estos conceptos y los que siguen confundiéndolos. Estos resultados son algo mejores que los obtenidos por Bullejos y Sampedro (1990) en cuestiones que pretendían el mismo objetivo, pues en aquel caso más de la mitad de la muestra no relaciona la flotación con la existencia de una propiedad intrínseca ("ligereza", "pesadez", densidad, o relación m/V constante) de cada material. En todo caso, tal como anticipábamos que ocurriría, todavía hay muchos estudiantes de la muestra analizada que llegan a niveles avanzados de enseñanza Secundaria sin haber superado dichos obstáculos sobre nociones elementales de la materia.

Flotación de un sólido en líquidos de distinta densidad

Esta cuestión es similar a la anterior pero, en este caso, es el mismo sólido el que se introduce en líquidos de distinta densidad. Para la justificación del fenómeno se esperan las mismas directrices en ambas preguntas, puesto que el objetivo que se persigue es análogo.

Los resultados obtenidos aparecen en la Tabla 4.

Tabla 4.
Número de estudiantes clasificados por niveles en la Pregunta 3 (N=24)

Destaca en las respuestas correspondientes a esta pregunta el alto número de estudiantes que se encuentran en el Nivel 3, aproximadamente un 83%. No hay estudiantes que dejen la pregunta sin respuesta, mientras que el total de alumnos situados en los niveles 1 y 2 es de un 17% (13% en el Nivel 1 y 4% en el Nivel 2). Aunque tanto en la pregunta 2 como en la 3 se estudia el mismo aspecto del concepto flotación pero planteado de forma diferente, parece ser que los alumnos tienen clara la justificación de la de flotación de los cuerpos, utilizando la densidad en su argumentación como causa principal, cuando es un mismo cuerpo el que se sumerge en líquidos distintos. Sin embargo, esta explicación no aflora cuando lo que cambia es el tipo de sólido inmerso en un mismo líquido (diferentes densidades de los sólidos inmersos), disminuyendo el porcentaje en 29 puntos. Posiblemente, el motivo se deba a que al tratarse del mismo objeto y no poder decir que “pesa menos” cuando flota, los que se equivocaban, se ven más abocados a buscar otro motivo (la densidad). Es de destacar, que ahora sí utilizan un criterio multicausal y comparan dos magnitudes, una propiedad del objeto y otra del líquido. No les vale hablar sólo del objeto como antes.

Flotación de sólidos mediante variación de su densidad media

Por último, procedemos al análisis de otro contexto del concepto de flotabilidad, esta vez aplicado a sólidos de densidad media variable.

Es sabido que, para variar su densidad media y modificar la flotabilidad, los submarinos están equipados con tanques de lastre que pueden llenarse con agua tomada del exterior. Para sumergirse los submarinos abren los tanques de lastre que se llenan completamente de agua. Para emerger el agua es desalojada por el aire a presión existente en otros tanques.

Con esta cuestión se pretende conocer si los estudiantes saben explicar el fenómeno de la flotabilidad de un submarino, como cuerpo que varía su densidad para cambiar su flotabilidad en un mismo líquido. Los resultados de la evaluación se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5.
Número de estudiantes clasificados por niveles en la Pregunta 4 (N=24)

Como se observa en la tabla, es de destacar que un 58% de los estudiantes se encuentren en el Nivel 0, mientras que sólo un 13% sabría describir con claridad el fenómeno. El alumnado situado en el Nivel 0, en el mejor de los casos, acude al término presión. Los alumnos saben que “los objetos, a mayor profundidad están sometidos a mayor presión” y, sencillamente, mencionan ese hecho, en su esfuerzo por aportar una explicación científica al fenómeno, de la misma forma que hemos constatado en nuestras clases otras veces. Si bien es cierto que, las diferencias entre la presión por encima y por debajo del objeto, aplicadas a las superficies superior e inferior, son las que acaban dando como resultado la fuerza neta hacia arriba denominada empuje, no es correcto identificar esa diferencia de presiones con la presión y afirmar que "el empuje es debido a la presión", como afirman algunos de nuestros estudiantes universitarios. En todo caso, los estudiantes encuestados no están familiarizados aún con este término.

Ideas relativas a la diferencia de la cantidad de aire en el submarino o variaciones de su peso son utilizadas en otros casos para la explicación del fenómeno (17% de estudiantes situados en el Nivel 1), es decir, afloran concepciones alternativas prototípicas, adaptadas al ejemplo específico, como es “los objetos flotan porque contienen aire”. Y, en este contexto, vuelven a explicaciones monocausales.

Del análisis de la información obtenida se deduce que, la mayoría del alumnado de cuarto curso de Educación Secundaria encuestado, posee concepciones alternativas respecto a las variables que influyen en el volumen que desplaza un cuerpo cuando se sumerge en un líquido y en el uso del concepto densidad para explicar fenómenos relacionados con la flotación de los cuerpos. Estas ideas emergen cuando se les solicita que piensen sobre ello y se incluye una representación gráfica de la situación, pensada para que les ayudara a imaginar la respuesta adecuada. Con el objeto de comparar la diferente dificultad encontrada por esta muestra de estudiantes en las distintas cuestiones, se ha incorporado un gráfico conjunto (de barras 100% apiladas) en Figura 2. En ella se pueden observar los diferentes niveles de conocimiento alcanzados por los estudiantes para cada una de las preguntas planteadas.En el caso del volumen desalojado por un sólido al ser sumergido en un líquido, razonan que será aquel cuerpo con mayor peso o masa el que desborde del recipiente una mayor cantidad de agua (Nivel 1, Pregunta 1.a). Por otro lado, casi la mitad cree que el volumen desplazado se ve afectado si los cuerpos se sumergen a distinta profundidad (Nivel 1, Pregunta 1.b). Se concluye de esta primera parte, por tanto, que muchos de los alumnos encuestados no tienen los conocimientos base previos necesarios para poder enfrentarse a otros conceptos nuevos, como el empuje que experimenta un sólido cuando se sumerge en un líquido, fundamental para el estudio del Principio de Arquímedes. Estos resultados convergen con los obtenidos por Fernández (1987) y aunque éste suponía la posibilidad de que los estudiantes no hubieran alcanzado el pensamiento formal inicial; somos más partidarios de la hipótesis de la especificidad asociada al contenido de la forma de razonar de los estudiantes (Pozo y Carretero 1986). La persistencia de las ideas de los alumnos a este respecto justifica que se deba prestar más atención a la enseñanza de los conceptos de masa y volumen, que probablemente se presuponen muy elementales para alumnos rondando los 16 años. Pero además de volver a centrar la atención, en dichos conceptos básicos, es necesario un cambio en la metodología de enseñanza utilizada por parte del profesorado, lo cual nos lleva a interesarnos en posteriores estudios en este sentido.

Figura 2.
Representación de los diferentes niveles por cada pregunta planteada.

De las actividades relativas a la flotación de sólidos en líquidos se puede concluir que, el contexto en que un mismo sólido se posa en diferentes líquidos (Pregunta 3) constituye la situación en la que se da mayor proporción de respuestas adecuadas, (Nivel 3). En este caso, una mayoría de los estudiantes, tienen en cuenta la relación entre densidad y flotación. Al tratarse del mismo cuerpo, que cambia de líquido, no pueden hacer uso de la explicación monocausal más extendida (cambios en el peso del sólido) y se ven forzados a buscar otra interpretación. Pero, a tenor de lo que ocurre en otros contextos ello no nos garantiza que hayan asimilado perfectamente la relación densidad – flotación. En efecto, muchos no parecen aplicar ese tipo de planteamiento adecuado, cuando se les presenta otra situación: sólidos distintos inmersos en un mismo líquido que quedan a distinta profundidad. Si nos fijamos en la Pregunta 2 y el Nivel 3, vemos que baja la cantidad de alumnos situados en el nivel adecuado. Esto justifica que sea necesario profundizar en los motivos que llevan a los estudiantes a entender de forma distinta la densidad, dependiendo de la situación planteada. Como a los estudiantes se les dio la instrucción (Anexo 1) de responder a las preguntas en el orden presentado, (que creíamos que era de complejidad creciente), ello impide comprobar si las respuestas hubieran sido distintas en el caso de que los estudiantes las hubieran respondido en otro orden. (Por ejemplo, haciendo la pregunta 3 en primer lugar).

Por último, para el caso particular de la flotación-inmersión de un submarino, los resultados empeoran de forma considerable. Este caso es una aplicación más compleja de lo anterior, el alumnado no es capaz de justificar de forma adecuada la situación. Una gran mayoría de los estudiantes (Nivel 0, Pregunta 4) no contesta a la pregunta o escribe un razonamiento incorrecto, exponiendo motivos como el peso del submarino o el contenido de aire como causas que provocan las distintas situaciones, pero no aluden al cambio de densidad que experimenta el submarino o incluso a una relación entre el peso y el volumen de agua desalojada. Estos resultados muestran que no han llegado a asimilar de forma completa las consecuencias que tiene la densidad en los cuerpos, y siguen haciendo uso de esquemas monocausales para la explicación de estos fenómenos, como indicaban Madrigal y Slisko (2010).

Para finalizar, por un lado, se hace necesario extender el estudio del concepto densidad a otros ejemplos de nuestra vida diaria, demostrado las carencias que muestra el alumnado en este sentido. Fernández (1988) destacaba en su trabajo la importancia del uso de situaciones contextualizadas por su valor didáctico. Este estudio abarcaría, entre otros temas, conocer la relación entre densidad y grado de concentración de la materia, saber cuál es la diferencia entre propiedades específicas y generales de la materia, justificar situaciones relacionadas con gases, ser capaz de diferenciar densidad y viscosidad, etc. Por otro lado, la realización de experiencias prácticas de inmersión de cuerpos sólidos en líquidos para demostrar la relación entre el volumen desplazado por el sólido y el volumen de éste y la justificación de la flotación de cuerpos a través del equilibrio de las fuerzas peso y empuje, en la línea sugerida por Mazzitelli et al. (2006), podría mejorar la asimilación de estos conceptos por parte de los estudiantes.

Para citar este artículo: Palacios-Díaz R., Criado García-Legaz, A.M. (2016) Explicaciones acerca de fenómenos relacionados con el volumen de líquido desplazado por un sólido en inmersión, con la densidad y con la flotación, en alumnado de Educación Secundaria Obligatoria. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 13 (2), 230-247. Recuperado de: http://hdl.handle.net/10498/18286

http://revistas.uca.es/index.php/eureka/article/view/2965 (html)