Modelitzar i indagar la contaminació atmosfèrica a l’aula de primària. Anàlisi des de la perspectiva de investigació basada en el disseny

Abstract

La present tesi explora la planificació, disseny, implementació, avaluació i redisseny/refinament iteratiu, dins del paradigma d’investigació basada en el disseny (IBD) d’una seqüència didàctica (SEA/DI) contextualitza en el problema de la contaminació atmosfèrica, amb l’objectiu de demostrar qualitat en estar fonamentada en recerca, ser subjecte de recerca i aportar a la recerca. Específicament, la SEA/DI busca que l’alumnat del cicle superior de primària (10-12 anys) millori algunes idees clau del model corpuscular de matèria per a aquesta edat així com la seva habilitat per dissenyar preguntes científicament investigables. Així, en primer lloc, en aquesta tesi s’aprofundeix en els marcs teòrics de Pràctica Científica (concretament en els de models i indagació) i IBD. Especialment en aquesta part es defineix un marc teòric i metodològic per a l’avaluació de la qualitat de les SEA/DI dins d’aquest paradigma que s’ha posat en pràctica a continuació en la recerca. Seguidament, es descriu el procés de planificació, disseny, implementació, avaluació i redisseny/refinament de la SEA/DI seguint les etapes pròpies d’una recerca IBD; i, per últim, s’aprofundeix en el procés d’avaluació de la seva qualitat a partir de l’anàlisi de tres dimensions (la validesa, la utilitat i la confiabilitat) i els seus respectius criteris d’avaluació. Específicament, la recerca al voltant de la qualitat de la SEA/DI s’ha dividit en tres estudis. El primer estudi està centrat en l’avaluació en termes de validesa i utilitat. Els resultats d’aquest han apuntat diversos aspectes a millorar de la SEA/DI (per exemple, la redacció dels objectius d’aprenentatge plantejats o les eines de disseny utilitzades) que s’han anat redissenyant/refinant en els diversos prototips de SEA/DI elaborats. El segon i tercer estudi, en canvi, s’han centrat en l’avaluació de la confiabilitat en termes d’aprenentatge del model corpuscular de matèria i del desenvolupament de l’habilitat de dissenyar preguntes de recerca respectivament. Per a això, s’han analitzat les produccions multimodals de l’alumnat, vídeos i àudios de les sessions i les notes de la investigadora. L’avaluació en termes de l’aprenentatge de les idees d’estructura i natura del model corpuscular de la matèria aplicades als fenòmens d’aire net i contaminat ens han permès observar una evolució en les idees i produccions de l’alumnat al llarg de la SEA/DI, així com identificar aspectes clau per a la definició i construcció d’aquesta idea al cicle superior de primària com, per exemple, la idea de semicontinuïtat de la matèria o l’escala mesoscòpica. D’altra banda, l’anàlisi de la confiabilitat en termes del desenvolupament de l’habilitat de dissenyar preguntes científicament investigables també ens ha permès identificar tres dimensions clau per a l’anàlisi de la “investigabilitat” de les preguntes de recerca escolar i avaluar la dificultat que suposa cadascuna d’elles per a l’alumnat. L’ús d’aquestes dimensions d’anàlisi han posat de manifest una evolució d’aquesta habilitat dels nens i nenes al llarg de la SEA/DI amb l’ús d’una bastida per a l’alumnat i un feedfoward docent ajustat. Les anàlisis fetes han facilitat el disseny d’una progressió d’aprenentatge empírica per a aquesta habilitat al cicle superior de primària. Com a part d’aquesta recerca s’han publicat cinc articles o capítols de llibre en què es detalla tant els procediments de recerca com les principals aportacions de cadascun dels estudis d’aquesta tesi. A més a més, s’han planificat, dissenyat, implementat, avaluat i redissenyat/refinat iterativament 4 prototips de SEA/DI i una eina de bastida cognitiva que busca ajudar a l’alumnat en el procés de disseny i posada en pràctica d’una recerca científica escolar. Totes aquestes publicacions es troben en obert.

La tesis doctoral explora la planificación, diseño, implementación, evaluación y rediseño/refinamiento iterativo dentro del paradigma de investigación basada en el diseño (IBD), de una secuencia de enseñamiento y aprendizaje (SEA/DI) contextualizada en el problema de la contaminación atmosférica, con el objetivo de demostrar calidad en estar fundamentada en investigación, ser sujeto de investigación y aportar a la investigación. Específicamente, la SEA/DI busca que el alumnado de 10-12 años mejore algunas de las ideas clave del modelo corpuscular de materia para esta edad, así como su habilidad para diseñar preguntas científicamente investigables. Así, en primer lugar, en esta tesis se profundiza en los marcos teóricos de Práctica Científica (concretamente en el de modelos e indagación) e IBD. Especialmente en esta parte se define un marco teórico y metodológico para la evaluación de la calidad de las SEA/DI dentro de este paradigma que se pone en práctica a continuación en la investigación. Seguidamente, se describe el proceso de planificación, diseño, implementación, evaluación y rediseño/refinamiento de la SEA/DI siguiendo las etapas propias de una investigación IBD. Por último, se profundiza en el proceso de evaluación de su calidad a partir del análisis de tres dimensiones (la validez, la utilidad y la confiabilidad) y sus respectivos criterios de evaluación. Específicamente, la investigación alrededor de la calidad de la SEA/DI se ha dividido en tres estudios. El primer estudio se centra en la evaluación en términos de validez y utilidad. Los resultados de estos han apuntado diversos aspectos a mejorar de la SEA/DI (por ejemplo, la redacción de los objetivos de aprendizaje planteados o las herramientas de diseño utilizadas) que se han ido rediseñando/refinando en los diversos prototipos de SEA/DI elaborados. El segundo y tercer estudio, en cambio, se han centrado en la evaluación de la confiabilidad en términos del aprendizaje del modelo corpuscular de materia y del desarrollo de la habilidad de diseñar preguntas de investigación, respectivamente. Para ello se han analizado las producciones multimodales del alumnado, vídeos y audios de las sesiones y las notas de la investigadora. La evaluación en términos del aprendizaje de las ideas de estructura y naturaleza del modelo corpuscular de materia aplicadas a los fenómenos de aire limpio nos han permitido observar una evolución en las ideas y producciones del alumnado a lo largo de a SEA/DI, así como identificar aspectos clave para la definición y construcción de esta idea en el ciclo superior de primaria como, por ejemplo, la idea de semicontinuidad de la materia o la escala mesoscópica. Por otro lado, el análisis de la confiabilidad en términos del desarrollo de la habilidad de diseñar preguntas científicamente investigables también nos ha permitido identificar tres dimensiones clave para el análisis de la “investigabilidad” de las preguntas de investigación escolar y evaluar la dificultad que supone cada una de ellas para el alumnado. El uso de estas dimensiones de análisis ha puesto de manifiesto una evolución de esta habilidad de los niños y niñas a lo largo de la SEA/DI con el uso de un andamiaje para el aunado y un feedforward docente ajustado. Los análisis hechos han facilitado además el diseño de una progresión de aprendizaje empírica para esta habilidad en el ciclo superior de primaria. Como parte de esta investigación se han publicado cinco artículos o capítulos de libro en que se detalla tanto el procedimiento de investigación como las principales aportaciones de cada uno de los estudios de esta tesis. Además, se han planificado, diseñado, implementado, evaluado y rediseñado/refinado iterativamente 4 prototipos de SEA/DI y una herramienta de andamiaje cognitivo que busca ayudar al alumnado en el proceso de diseño y puesta en práctica de una investigación científica escolar.

The present doctoral thesis explores the process of iteratively planning, design, implementation, evaluation, and redesign/refinement within the design based research paradigm (DBR) of a teaching and learning sequence (TLS) contextualized in the phenomena air pollution that demonstrates quality by being both research and evidence-based, and by to contributing to actual research. Specifically, the TLS is aimed at improving that 10-12-year-old students both their ideas about one of the main scientific models, the particulate model of matter; and their practice of designing scientific research questions. First, in this research, two theoretical frameworks have been explored deeply: the Scientific Practices and the DBR ones. Concretely, in this section it has been defined a theoretical and methodological framework to evaluate the quality TLS designed from the DBR paradigm that it has been used in the following parts of this research. Then, it has been described the process of planning, design, implementation, evaluation, and redesign/refinement of the TLS following the three main stages of a DBR process. Finally, the quality of the TLS has been evaluated based on the analysis of three dimensions of quality identified, in terms of validity, usefulness, and reliability and the evaluation criteria related to them. The research around the quality of the TLS it has been divided in three main studies. The first study is focused on the evaluation of the TLS in terms of validity and usefulness. The obtained results highlighted different aspects to improve in the TLS (for example, the learning objectives wording, or the design tools used) that has been redesigned /refined iteratively along the different prototypes. The second and third study have been focused on the reliability in terms of both: learning achievement of the particulate model of matter, and the development of the practice of designing scientific research questions. For those, multimodal students’ productions, videos, and audio recordings of the sessions and the researcher’s notes have been used. The evaluation in terms of the construction of students’ ideas regarding the particulate model of matter applied to the clean and polluted air phenomena underlined an evolution in the students’ ideas and productions along the TLS. Moreover, the analysis also highlighted key aspects for the definition and construction of the particulate model of matter in the upper primary stage, such as the semicontinuity idea or the mesoscopic scale. On the other hand, evaluation in terms of the development of the students’ scientific practice of designing scientific research questions has also helped us to identify three main dimensions to analyse the “investigability” of questions and to evaluate the difficulty that each one of them implies to the students. The use of this dimensions of analysis highlighted the students’ evolution of this practice after the use of a specific scaffolding and the adequate teachers’ feedforward. This analysis also helped us to design an empirical learning progression of this practice between 10-12-year-old students. As part of this research we have been published five articles or book chapters where it has been detailed the research process and the main contributions of each study of this thesis. Additionally, it has also planned, designed, implemented, evaluated, and redesigned/refined iteratively four prototypes of the TLS and a cognitive scaffolding tool to help students in the process of design and carry out their own scientific research questions. All these contributions have been published in open access.