Modelització i models en la formació inicial de mestres de primària des de la perspectiva de la pràctica científica

Departament responsable de la tesi: Departament de Didàctica de la Matemàtica i de les Ciències ExperimentalsPremi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2016-2017Des del recent marc de pràctiques científiques es vol promoure un ensenyament de les ciències on els estudiants participin d'una Activitat Científica Escolar (ACE) anàloga a la de la ciència. Des d'aquesta perspectiva es pretén compartir amb els alumnes no només els productes de la ciència sinó també els seus processos cognitius i discursius, participant en les pràctiques interrelacionades de modelització, argumentació i indagació escolar. Introduir la pràctica científica a l'escola primària, però, requereix d'un canvi profund en les formes de concebre i organitzar l'ensenyament de les ciències que ha de començar a la formació inicial de mestres. Des de la nostra perspectiva de l'ensenyament de les ciències basat en models, això implica capacitar-se en ensenyar uns continguts conceptuals clau, els Models Científics Escolars (MCE), i fer-ho modelitzant, amb l'objectiu que els futurs mestres experimentin com a alumnes el model didàctic que volem que tinguin com a futurs docents. Dissenyar, implementar i analitzar una formació inicial dirigida a assolir aquests objectius és la raó de ser d'aquesta recerca, que s'estructura en dos estudis diferenciats. A l'estudi 1 hem dissenyat, analitzat i modificat iterativament una assignatura de ciències de la formació inicial de mestres, des del marc metodològic de la Recerca Basada en el Disseny. L'anàlisi d'aquest procés de transformació ens ha permès conèixer els tipus i rellevància de les limitacions de l'assignatura, així com els tipus de canvis que poden resultar útils per dissenyar entorns d'aprenentatge centrats en la modelització i els MCE. Els resultats indiquen que aquest procés és complex i que requereix modificar tant el "com" com el "què" ensenyar. Producte d'aquest estudi es proposen un cicle de modelització i una definició dels MCE de canvi químic i de flotació. Ambdós instruments s'han utilitzat per dissenyar dues seqüències didàctiques que han mostrat ser eficaces. Tot i que existeix molta recerca sobre modelització o models, no n'hi ha gaire on s'investigui la participació en la pràctica de modelització i l'evolució en l'aprenentatge dels models mentre s'estan donant a l'aula, ni a una escala molt "micro" o detallada. En l'estudi 2 investiguem molt detalladament i a diferents escales les discussions que es donen a l'aula, per tal de conèixer en profunditat aquests processos, la seva complexitat i els mecanismes que els influencien. Els resultats mostren que el procés de modelització és més complex que allò que es pot interpretar de la literatura de l'àmbit, ja que per construir un MCE els alumnes necessiten participar en totes les pràctiques de modelització (ús, expressió, avaluació i revisió del model) de forma dinàmica i constant. D'altra banda, l'evolució del domini dels models segueix una tendència no lineal però positiva al llarg de tota la seqüència instruccional que ens permet identificar unes progressions d'aprenentatge empíriques pels MCE de canvi químic i flotació. Per últim, els mecanismes d'influència didàctica que promouen activitats de modelització són diversos i abundants, predominant aquells utilitzats autònomament pels propis alumnes. En conclusió, considerem que la construcció del model no és una fase inicial de la seqüència en base a la qual tot s'avalua i es revisa, sinó l'objectiu de tota la seqüència, que engloba totes les pràctiques de modelització. D'altra banda, hem vist que el mecanisme més productiu per promoure una bona pràctica de modelització és el qüestionament del model fet pel propi alumnat, mentre que aquell per promoure un major assoliment dels MCE és la introducció d'idees noves pel professorat. Així mateix, quan l'alumnat s'involucra en una modelització experta (participant molt en l'avaluació i revisió del model amb un patró iteratiu) arriba també, a la llarga, a un major domini dels models. Aquesta modelització experta sembla donar-se en una cultura discursiva de caire indagativa i crítica, i en grups de treball que mostren confiança.The recent framework of scientific practices proposes science learning as students' participation in a School Scientific Activity (SSA) analogous to that of science. From this perspective the aim is to share with students not only the products of science but also their cognitive and discourse processes, by participating in the interrelated school practices of modeling, argumentation and inquiry. The introduction of scientific practices in elementary school requires a profound change in the ways of conceiving and organizing science education, which should start at teachers' initial training. From our model-based perspective of science education, this implies learning to teach the key ideas of science or School Scientific Models (SCM) and doing so by engaging in a modeling activity. The aim is that pre-service teachers can experience as learners the teaching model that we want them to hold as future teachers. As a consequence, this research is structured in two separate studies devoted to designing, implementing and analyzing an initial teacher education course developed within this perspective. In the first study we iteratively designed, analyzed and accordingly modified a primary school teacher education science course using the methodological framework of the Design-Based Research. The analysis of the course transformation process has allowed us to evidence the type and relevance of the course's limitations and the types of changes that can be useful for transforming the learning environment towards a model-based one that encompasses both modeling practice and the learning of targeted SCM. Our results indicate that this process is complex and requires modifying both the "how" and "what" to teach in a coherent manner. As a product of this study we propose a modeling cycle and an expression in terms of sequenced ideas of the SCM of chemical change and buoyancy. Both these didactical tools have been used to design two instructional sequences that have shown to be effective. In spite of the extensive literature on modeling and models, there is little research focused on analyzing the modeling practice of pre-service teachers and the evolution of their learning of models while modeling in the science classroom. There is also little research on modeling that analyzes this process at a finer grain or small scale. In the second study of this thesis we investigate at different scales the laboratory-based small-group discussions that take place in the classroom, in order to dig deeper into these processes, their complexity and the didactical mechanisms that influence them. The results show that the modeling activity is more complex than what is generally reported in the literature in the field, because to build a MCE students participate in a great diversity of modeling practices (use, expression, evaluation and revision of their models) in a dynamic manner. Moreover, the evolution of pre-service teachers' models follows a non-linear but positive tendency towards the targeted MCE throughout the instructional sequence, which allows us to identify some empirical learning progressions of MCE chemical change and buoyancy. Finally, the mechanisms of didactic influence that promote these modeling activities are diverse and abundant, predominantly those used independently by the students themselves. In conclusion, our results show that the construction of the model is not an initial phase from which evaluation and revision takes place, but the objective of the entire sequence that requires all modeling practices in every stage. Moreover, we have seen that the most productive mechanism to promote good modeling practice is the questioning of the model made by the students themselves, while that for promoting greater achievement of MCE is the introduction of new ideas by the teacher educator. In addition, when students engage in an expert modeling activity (participating largely in an iterative pattern of evaluation and revision of models) they show in the long run a greater mastery of the MCEs. This expert modeling activity seems to occur in pre-service teacher groups that hold an inquiring and critical discursive culture within a trusting atmosphere