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LICENCIATURA EN EDUCACIÓN MATEMÁTICA El álgebra escolar en el Diseño Curricular para la Educación Secundaria de la provincia de Entre Ríos Núcleo de Investigación en Educación en Ciencia y Tecnología NIECyT Departamento de Formación Docente Facultad de Ciencias Exactas Universidad Nacional de Centro de la Provincia de Buenos Aires UNCPBA 2021 2 LICENCIATURA EN EDUCACIÓN MATEMÁTICA El álgebra escolar en el Diseño Curricular para la Educación Secundaria de la provincia de Entre Ríos Tesista: Prof. Yanina Macarena Morales Directora: Dra. Viviana Carolina Llanos Codirectora: Dra. María Rita Otero Tesis de Licenciatura realizada bajo la dirección de la Dra. Viviana Carolina Llanos, y la Codirección de la Dra. María Rita Otero, presentada en la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, como requisito parcial para la obtención del título de Licenciada en Educación Matemática. Tandil, octubre de 2021 3 RESUMEN Esta investigación estudia el álgebra escolar en el Diseño Curricular (en adelante DC) de la Provincia de Entre Ríos para el nivel secundario. Se adopta como referencial teórico la Teoría Antropológica de lo Didáctico (TAD) de Yves Chevallard (1989). Además, desde una perspectiva epistemológica se analizan las características de las Tradiciones de la Matemática desarrolladas por Klimovsky y Boido (2005). A partir de los constructos teóricos antes mencionados se formulan y describen las categorías de análisis que permiten definir las características del DC de la provincia de Entre Ríos, entorno al álgebra escolar. El análisis realizado es de tipo documental, la fuente de datos está constituida por los lineamientos curriculares de la provincia de Entre Ríos en sus dos tomos: tomo I correspondiente al Ciclo Básico de educación secundaria (1°, 2° y 3°) y, tomo II correspondiente al Ciclo Orientado de educación secundaria (4°, 5° y 6°) Los resultados obtenidos muestran que el álgebra involucrada en DC de la provincia de Entre Ríos se identifica con una aritmética generalizada. El estudio de los conocimientos algebraicos se genera alrededor de tres tipos fundamentales de tareas: el cálculo numérico, la generalización de propiedades y la “traducción” de enunciados verbales a ecuaciones o expresiones algebraicas. La “modelización” a la que refiere el DC no es entendida en términos de la TAD, sino que consiste en la resolución de problemas de aplicación aislados, en su mayoría provenientes de otras ciencias. Una consecuencia que se identifica de la ausencia del álgebra como instrumento de modelización es que el DC no presenta unidad funcional, las OM presentes en él se caracterizan por su marcado carácter prealgebraico y las fórmulas juegan el papel de reglas dadas. En relación a las características de las Tradiciones de la Matemática desarrolladas por Klimovsky y Boido (2005) implícitas en el DC es posible afirmar que existe un predominio de la Tradición Computacional, siendo menor la presencia de rasgos de la Tradición Estructural y prácticamente nula la presencia de la Tradición axiomática. Lo anterior coincide con la interpretación del álgebra como aritmética generalizada, ya que se focaliza en los números, sus propiedades y los cálculos que con ellos se realizan. Finalmente se propone una posible tarea con potencial para generar un proceso de modelización algebraica en términos de la TAD en la educación secundaria. 4 ABSTRACT This research studies school algebra in the curriculum design (hereinafter DC) from Entre Ríos Province for the secondary education level. The Anthropological Theory of Didactics (TAD) by Yves Chevallard (1999) is adopted as a theoretical reference. Furthermore, from an epistemological perspective, the characteristics of the Traditions of Mathematics developed by Klimovsky and Boido (2005) are analyzed. From the aforementioned theoretical constructs, it is formulated and described the categories of analysis that allow defining the characteristics of the CD of Entre Ríos, around school algebra. The analysis made is documentary type, the data source is constituted by the curricular guidelines of the province of Entre Ríos in its two volumes: volume I corresponding to the Basic Cycle of secondary education (1st, 2nd and 3rd) and, Volume II corresponding to the Oriented Cycle of secondary education (4th, 5th and 6th). The results obtained show that the algebra involved in DC in the province of Entre Ríos is identified with a generalized arithmetic. The study of algebraic knowledge is generated around three fundamental types of tasks: numerical calculus, generalization of properties and the “translation” of verbal sentences into equations or algebraic expressions. The “modeling” to which the CD refers is not understood in terms of the TAD, but consists of solving isolated application problems, mostly from other sciences. One consequence that is identified from the absence of algebra as a modeling tool is that the CD does not present a functional unit, the OM present in it are characterized by their marked pre-algebraic character and the formulas play the role of given rules. In relation to the characteristics of the Traditions of Mathematics developed by Klimovsky and Boido (2005) implicit in the CD, it is possible to affirm that there is a predominance of the Computational Tradition, the structural tradition is less presented and the axiomatic tradition is void. The previously mentioned coincides with the interpretation of algebra as generalized arithmetic, since it focuses on numbers, their properties and the calculations that are made with them. Finally, a possible potential task is proposed in order to generate an algebraic modeling process in terms of ADT in secondary education. 5 Agradecimientos Quiero agradecer: A la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, por apoyar la formación de docentes. A mi Directora de Tesis, Dra. Viviana Carolina Llanos y a mi Codirectora, la Dra. María Rita Otero, por el acompañamiento intelectual brindado durante este proceso. A mis compañeros de la Licenciatura en Educación Matemática. A mi familia, por motivarme a cumplir mis sueños, por la escucha y las palabras amables en el momento preciso, y, sobre todo, por siempre confiar en mí. A mis compañeros y colegas, en especial a Sergio por motivarme a iniciar esta carrera y apoyarme en su desarrollo. A mis amigos, por estar presentes en cada momento importante de mi vida, en especial a Flor y a Carina por las tardes de charlas, mates y estudio, por los consejos y las palabras de aliento siempre que las necesité. 6 ÍNDICE Capítulo 1 ........................................................................................................................ 8 1. Introducción y formulación del problema .................................................................... 9 1.1 Objetivos ............................................................................................................... 10 1.2 Antecedentes de la investigación .......................................................................... 10 2. Organización de la presentación ................................................................................. 12 Capítulo 2 ...................................................................................................................... 14 1. El álgebra escolar desde la perspectiva de la TAD .................................................... 15 1.1 Algunos conceptos de la TAD .............................................................................. 152. Evolución histórica del álgebra como saber sabio y del álgebra como saber a enseñar ........................................................................................................................................ 17 2.1 Evolución histórica del álgebra ............................................................................. 17 2.2 El álgebra escolar. ................................................................................................. 22 2.2.1 Evolución del álgebra como saber a enseñar ................................................. 22 2.2.2 El pasaje de la aritmética al álgebra ............................................................... 22 2.2.3 La reforma de las matemáticas modernas ...................................................... 24 2.2.4 Dialéctica entre lo numérico y lo algebraico .................................................. 25 2.2.5 Sistemas de números y cálculos algebraicos .................................................. 26 3. La actividad de modelización matemática en la TAD ................................................ 28 3.1 La modelización matemática como instrumento de articulación de la matemática escolar ......................................................................................................................... 32 3.2 Modelización algebraica ....................................................................................... 33 Capítulo 3 ...................................................................................................................... 35 1. Metodología de la investigación ................................................................................. 36 1.2 Características del DC de la Provincia de Entre Ríos ........................................... 36 1.2 Construcción de categorías de análisis ................................................................. 37 Capítulo 4 ...................................................................................................................... 43 1. Análisis de datos ........................................................................................................ 57 1.1 Discusión sobre la categoría C1: características del álgebra escolar................... 48 1.2 Discusión sobre la categoría C2: nivel de algebrización ..................................... 50 1.3 Discusión sobre la categoría C3: tradiciones ........................................................ 56 Capítulo 5 ...................................................................................................................... 57 1. Propuesta de una tarea de modelización ..................................................................... 57 7 Capítulo 6 ...................................................................................................................... 70 1. Conclusiones ............................................................................................................... 70 Referencias .................................................................................................................... 74 8 Capítulo 1 9 CAPÍTULO 1 1. Introducción y formulación del problema El trabajo se enmarca dentro del problema didáctico del álgebra escolar. Diversas investigaciones dentro de la Teoría Antropológica de lo Didáctico (TAD) (Chevallard, 1989; Gascón 1993, 1994-95, 1999; Bolea, Bosch y Gascón 1998, 2001, 2004; Bolea 2002; García 2005; Ruíz Munzón, 2010) han estudiado qué es lo que se enseña bajo el apelativo de álgebra elemental y, en consecuencia, qué se entiende por “álgebra elemental” en la clase de matemáticas, en la escuela y, más ampliamente, en la sociedad. Así se han cuestionado ¿Qué actividades y conocimientos constituyen el álgebra elemental en cuanto saber enseñado? y a su vez ¿Qué actividades y conocimientos relativos al álgebra no se enseñan en la escuela? (Chevallard y Bosch, 2012). Dichas investigaciones concuerdan en que el modelo implícito dominante del álgebra escolar se corresponde con una generalización de la aritmética. Entender al álgebra como aritmética generalizada es considerarla como una prolongación de la aritmética, que permite extender propiedades y relaciones de números particulares a números cualesquiera (Chevallard, 1989). Así el álgebra escolar es presentada como un instrumento superior a la aritmética, pero que sirve para una tarea similar, es decir, se proponen problemas que bien pueden ser resueltos en un contexto aritmético y luego se presenta la solución desde el álgebra, lo cual oculta la verdadera utilidad del instrumento algebraico. Esta concepción del álgebra no es compatible con el modelo epistemológico general de la actividad matemática que propone la TAD, y junto con otros aspectos de la epistemología dominante escolar actual, limita la actividad matemática que es didácticamente viable en secundaria, contribuyendo esto a una desarticulación de la matemática escolar y de las relaciones funcionales elementales (Gascón 2000). Las investigaciones realizadas en el marco de la TAD han dado lugar a la formulación de un modelo epistemológico “alternativo” del álgebra escolar, desde el cual enunciar y abordar nuevos problemas de investigación didáctica. El modelo propuesto por Chevallard sitúa la modelización matemática en el núcleo de toda actividad matemática y considera al álgebra escolar como instrumento de modelización de todas las organizaciones matemáticas escolares (Chevallard, 1989). En los últimos desarrollos, la TAD ha proporcionado nuevos instrumentos teóricos que han permitido reformular el problema didáctico del álgebra escolar en términos más cercanos a la actividad matemática misma, tomando en consideración la estructura y la dinámica de lo que Chevallard (1999) denomina praxeologías matemáticas y didácticas, que se han desarrollado alrededor de los objetos matemáticos que en la cultura escolar se consideran como objetos “algebraicos”. Se han construido así problemas didácticos que toman como objeto de estudio las características del álgebra escolar en la educación secundaria obligatoria, estudiando si la misma aparece como una praxeología u organización matemática en sí misma o como un instrumento de estudio de otras 10 praxeologías (Bolea, 2002). Este aspecto es considerado como punto de partida de esta investigación. En esta investigación, el problema del álgebra escolar (en adelante AE) se analiza a partir de los conocimientos de álgebra contenidos en el Diseño Curricular (DC) de Matemática de la escuela secundaria de la Provincia de Entre Ríos, y se discuten las características de la modelización propuesta en el diseño. Se propone además un ejemplo para describir lo que se entiende por modelización en la TAD. 1.1 Objetivos Generales Analizar las características del Álgebra escolar propuesta para enseñar en el DC de Matemática de la Provincia de Entre Ríos en la Educación Secundaria. Identificar las características de la modelización algebraica en el DC de la Provincia de Entre Ríos. Analizar las características del álgebra escolar desde una perspectiva epistemológica. Específicos Generar una categorización inductiva que permita analizar las características del algebra escolar y la modelización algebraica en el DC de la Provincia de Entre Ríos. Analizar las características del álgebra escolar del DC, a partir de las Tradiciones de la Matemática desarrolladas por Klimovsky y Boido (2005) Proponer un ejemplo de posible tarea de modelización matemática en el sentido de la TAD para la escuela secundaria Preguntas de la Investigación: ¿Cuáles son las características del AE propuesta para en el DC de la Provincia de Entre Ríos? ¿Qué características tiene la modelización algebraica propuesta en el DC de Matemática de la Provincia de Entre Ríos? ¿Qué características de las tradiciones epistemológicas definidas por Klimovsky y Boido (2005) se pueden identificar en el DC de la provincia de Entre Ríos con relación al álgebra escolar? 1.2 Antecedentes de la investigación En este apartado se realiza de una síntesis de las investigaciones relativas al álgebra escolar. Con ella se pretenden especificar ciertos resultados que son la base para las ideas de este trabajo, y justifican a su vez la relevancia del problema estudiado. También, debemos mencionar que dichos antecedentes serán organizados de la siguiente forma: en 11 primer lugar, se presentarán aquellas conclusiones derivadas del análisis de las organizaciones matemáticas presentes en el currículo y relativas al modelo dominante del álgebra escolar en la escuela secundaria, y luego se citarán aquellas vinculadas al estudio del álgebra como instrumento de modelización. Chevallard (1989) en sus estudios deja en evidencia las transformaciones que ha sufrido el álgebra escolar a lo largo del tiempo, y señala que en la actualidad el álgebra es entendida como una aritmética generalizada, es decir, se la concibe como una continuación de la aritmética, que permite generalizar propiedades y relaciones de los números. El autor afirma que en este modo de entender el álgebra la dialéctica entre lo numérico y lo algebraico se pierde, ya que es lo numérico lo que "justifica" y "permite comprender" lo algebraico (p.27), pero se desconoce el uso del instrumento algebraico para estudiar lo numérico. Por su parte, Gascón (2000) coincide con Chevallard (1989) en que en la actualidad el álgebra escolar es considerada una ampliación y generalización de las prácticas aritméticas, y analiza las consecuencias de dicho fenómeno, entre las que destaca la desalgebrización del currículo escolar. Plantea además la necesidad de ubicar a la enseñanza del álgebra en el marco de la modelización matemática que propone Chevallard (1989). En concordancia con lo afirmado por Chevallard (1989) y Gascón (2000), Bolea (2003) en su tesis “El proceso de algebrización de organizaciones matemáticas escolares” demuestra, a partir de una revisión detallada de documentos curriculares, libros de texto y de una encuesta entre profesores, que dicho modelo del álgebra escolar como aritmética generalizada es fuertemente aceptado en la institución escolar como único e incuestionable. García (2005) analiza documentos curriculares y manuales escolares, y describe cómo “vive” la proporcionalidad en la escuela secundaria y cómo se vincula su estudio con el del resto de las relaciones funcionales. A partir de dicho análisis demuestra cómo el carácter prealgebraico de la actividad matemática escolar provoca la existencia de diferentes organizaciones matemáticas (puntuales, a lo sumo locales), atomizadas y deficientemente articuladas entre sí. Ruiz Munzón (2010) en su tesis titulada “La introducción del álgebra elemental y su desarrollo hacia la modelización funcional” afirma que el álgebra enseñada en la Enseñanza Secundaria Obligatoria consiste en resolver ecuaciones (de primer y segundo grado y sistemas de ecuaciones lineales con dos incógnitas) y aprender a manipular expresiones algebraicas. Sostiene además que, el primer aprendizaje del cálculo algebraico se hace en un marco formal y no funcional, lo que limita considerablemente la actividad matemática, por un lado, porque el álgebra escolar se enseña implícitamente en referencia a la aritmética y al cálculo con números; y por otro, porque el aprendizaje formal es incapaz de recrear toda la variedad de manipulaciones que el alumno puede 12 necesitar en el momento en que deba hacer un uso funcional de la herramienta, surgiendo, de esta manera, recetas que se refieren a las distintas manipulaciones formales. En relación al álgebra escolar como instrumento de modelización es necesario mencionar en primer lugar a Chevallard (1989), quien, a partir del análisis de la génesis del álgebra, puso en evidencia que, ante todo, el álgebra surge como un instrumento al servicio del trabajo matemático, dando lugar a un cambio radical al permitir explicitar y manipular la estructura de los problemas matemáticos, ampliándose enormemente la posibilidad de abordar matemáticamente los problemas complejos que, antes del álgebra, se reducían a problemas de primer y segundo grado con una o dos incógnitas. En esta línea, en Bolea, Bosch y Gascón (1998) se propone un modelo epistemológico de referencia alternativo del álgebra escolar, en el que se la concibe inicialmente, no como una organización matemática al mismo nivel que el resto, sino como instrumento de modelización de todas las organizaciones matemáticas escolares. A su vez, Bolea (2003) propone cuatro indicadores del grado de algebrización de una organización matemática y los utiliza para responder a la cuestión acerca del grado de algebrización de la matemática escolar en el ámbito de la Escuela Secundaria Obligatoria. Por su parte, García (2005) analiza los fenómenos identificables en el Sistema de Enseñanza de las Matemáticas relacionados con la ausencia de la modelización algebraica y se centra precisamente en el de la desarticulación y atomización de la matemática escolar, estudiándolo en profundidad en el caso de la relación de proporcionalidad en la Escuela Secundaria Obligatoria, haciendo evidente la necesidad de cuestionar los sectores y las áreas en las que tradicionalmente se “compartimenta” la matemática escolar. Además, presenta una propuesta de articulación del estudio de las relaciones funcionales mediante un proceso de modelización algebraica. A raíz de las dificultades suscitadas en la implementación de la propuesta, ligadas a las restricciones transpositivas generales, a las restricciones “pedagógicas” y “escolares”, al contrato didáctico generalizado en las instituciones docentes, entre otras, se generó en el autor la necesidad de investigar en qué niveles y cómo introducir y hacer evolucionar la modelización algebraica para que ésta llegue a alcanzar un determinado grado de desarrollo a la finalización de la Educación Secundaria Los trabajos de tesis de Pilar Bolea (2002) y Javier García (2005) dan lugar al estudio del problema ecológico de la modelización funcional, con la tesis de Ruíz Munzón (2010), en la cual se elabora un modelo epistemológico de referencia que permite fundamentar la génesis escolar del álgebra como instrumento de modelización y, a su vez, sustentar un desarrollo progresivo de las sucesivas etapas del proceso de algebrización de la matemática escolar que desemboca en la modelización funcional. 2. Organización de la presentación En el capítulo 1 se ha descrito brevemente el problema de investigación. Se ha mencionado cuál es el estado actual de las investigaciones sobre este problema. Se formularon las preguntas y objetivos que dirigen la investigación. 13 En el capítulo 2 se desarrollan los elementos básicos de la TAD con relación al álgebra escolar y a la modelización algebraica. Se presenta un análisis de la evolución del álgebra como saber sabio y del álgebra como saber a enseñar a partir del recorrido realizado por Chevallard (1989). Se describe el modelo de álgebra como instrumento de modelización propuesto en el seno de la TAD. En el capítulo 3 se presenta la metodología de investigación y se describen las categorías de análisis generadas para analizar el DC para Educación Secundaria de la Provincia de Entre Ríos, documento que rige los contenidos que deben desarrollarse en dicho nivel. Las primeras dos categorías “características del álgebra” y “nivel de algebrización” serán formuladas teniendo en cuenta las características del álgebra escolar presentadas en el capítuloI. Además, para estudiar la concepción epistemológica de la Matemática, específicamente del álgebra escolar según el DC de la provincia de Entre Ríos se desarrolla la tercera categoría que será formulada teniendo en cuenta las Tradiciones Matemáticas (Axiomática, Estructuralista y Computacional) definidas por Klimovsky y Boido (2005). En el capítulo 4 se analizan y describen las características del álgebra propuesta en el DC de la Provincia de Entre Ríos para la escuela secundaria, a partir de las categorías de análisis descriptas en el capítulo 3. En el capítulo 5 se presenta un ejemplo de tarea que permitiría generar, en la escuela secundaria, un proceso de modelización (en términos de la TAD) de un sistema proveniente de la geometría. En el capítulo 6 se responden las preguntas de investigación y se formulan las conclusiones. 14 Capítulo 2 15 CAPÍTULO 2 1. El álgebra escolar desde la perspectiva de la TAD Se presentan algunos elementos de la Teoría Antropológica de lo Didáctico (Chevallard, 1989; Gascón, 1993, 1994; Bolea, Bosch y Gascón, 1998, 1999, 2001; Bolea, 2003; Ruiz, Bosch y Gascón, 2015) y se describe el álgebra escolar en términos de la TAD. Se detalla el modelo epistemológico del álgebra escolar formulado por Chevallard (1989), en el cual es entendida como un instrumento que permite llevar a cabo una actividad de modelización que atraviesa a todos los sectores de la matemática, concibiéndola, de este modo, como un instrumento genérico de modelización de lo que Chevallard (1999) denomina organizaciones matemáticas, que permite un proceso de algebrización de las mismas. 1.1 Algunos conceptos de la TAD El Enfoque Antropológico de Yves Chevallard (1999) surge con la necesidad de estudiar las condiciones de creación y difusión del conocimiento matemático en las diferentes instituciones sociales, desde las productoras o creadoras del conocimiento, hasta las instituciones centradas en la enseñanza de las matemáticas y de cualquier otra disciplina. El origen de los primeros desarrollos se sitúa en los años 80, cuando se descubre que muchos de los fenómenos relativos a la enseñanza de las matemáticas sólo pueden abordarse científicamente si se tienen en cuenta los fenómenos de “transposición didáctica” (Chevallard, 1985), es decir, los fenómenos que regulan las transformaciones que sufre un saber desde su lugar de origen hasta que llega a la institución en la que se estudia, hasta volverse objeto de enseñanza. Además, diferentes saberes matemáticos adquieren distintas características en función de la institución en la que se encuentran, es decir, existe una relatividad institucional del saber matemático. Los procesos de transposición didáctica distinguen diferentes tipos de saberes que intervienen en todos los procesos de enseñanza y aprendizaje: Saber sabio: es el producido por matemáticos u otros científicos. Saber a enseñar: lo que se pretende enseñar, gestionado por la noosfera y plasmado en los documentos curriculares, en los libros de texto, en todo lo que pueda considerarse una referencia. Saber enseñado: es el producido en el aula. Es así, que desde la TAD se ubica a la actividad matemática en el conjunto de las actividades humanas y de instituciones sociales, por lo que su enseñanza debe ser entendida como una actividad colectiva e institucional (Chevallard, 1999). Muchas de las teorías didácticas centran su análisis en el saber enseñado y el saber aprendido. La TAD postula que no es posible explicar las características de saber que construyen los alumnos ni ninguno de los fenómenos didácticos que emergen en él, sin tomar en consideración todas las etapas del proceso transpositivo. El investigador se debe 16 situar en una posición externa con relación a las diversas instituciones que forman parte de su objeto de estudio. Surge así, la necesidad de disponer de un modelo que permita describir las prácticas matemáticas institucionales y haga posible el estudio de las condiciones de su realización. Chevallard (1999) introduce la noción de praxeología o de organización praxeológica como elemento básico para la descripción del saber y la define como la unidad básica en que uno puede analizar la acción humana en general. Sostiene que es posible analizar cualquier acto humano en dos componentes principales interrelacionados: praxis (la parte práctica) y logos (hace referencia al pensamiento y razonamiento humano), es decir, toda acción humana requiere ser explicada y justificada para existir. La noción de praxeología o de organización praxeológica, constituye así una herramienta fundamental para modelizar la actividad matemática considerándola como una actividad humana más. Praxeología matemática Chevallard (1999) afirma que, como toda obra humana, una praxeología matemática surge como una respuesta a un conjunto de cuestiones y a la vez como un medio para realizar, en el seno de cierta institución, determinadas tareas problemáticas. Tal como se ha mencionado anteriormente, se pueden distinguir en toda praxeología matemática dos aspectos inseparables: “praxis” y “logos”. El nivel de la praxis se compone de un conjunto de tareas que deben realizarse mediante técnicas determinadas. Las tareas suelen comenzar con un verbo, por ejemplo “integrar la función 𝑓(𝑥) = 𝑥2 ”, ahora si sólo se considera “integrar” no es un tipo de tareas sino un género de tareas. Un género de tareas incluye diferentes tipos de tareas. Todo tipo de tareas requiere a su vez de una manera de realizar las tareas, es decir, requiere de una técnica para resolverlas, sin embargo, una técnica es relativa, lo que significa que sirve para algunas tareas dentro del tipo de tareas (Chevallard, 1999). En una institución dada puede identificarse un amplio abanico de tareas que son llevadas a cabo a través de “maneras de hacer” institucionalmente reconocidas. Aunque un mismo tipo de tareas puede abordarse mediante diferentes técnicas, se tiende a identificar cada tipo de tareas con la técnica normalmente utilizada en la institución para su realización. Por su parte, el nivel del logos está compuesto por tecnologías y teorías. Para que pueda existir una técnica en una determinada institución debe ser comprensible, legible y justificable, son las tecnologías las que justifican racionalmente las técnicas, para asegurarse que estas permitan realizar las tareas de su tipo, y explican además por qué una determinada técnica funciona para la tarea que se quiere resolver. A su vez, las teorías tienen respecto de las tecnologías la misma función que las tecnologías respecto de las técnicas, es decir, justifican y explican la tecnología. Todos los componentes de las praxeologías se encuentran fuertemente relacionados entre sí. Tareas, técnicas, tecnologías y teorías son doblemente relativos. En primer lugar, son 17 relativos a la institución de referencia considerada, es decir, que lo que es considerado como un tipo de tarea (o técnica o tecnología o teoría) en una institución no tiene por qué serlo en otra institución, es más, en una institución solo tendrían que considerarse como tipos de tareas aquellas para las cuales se dispone de algún tipo de técnica con un mínimo entorno tecnológico más o menos explícito. En segundo lugar, las nociones de tipos de problemas, técnicas, tecnología y teoría son relativas a la función que hace cada uno de estos objetos en una actividad determinada, es decir, los objetos pueden tomar diferentes funciones en las diferentes instituciones sociales y en las diferentes actividades institucionales (Chevallard, 1999). 2. Evolución histórica del álgebra como saber sabio y del álgebra como saber a enseñar En este apartado se realizará un recorrido por las transformaciones queha sufrido el álgebra hasta constituirse en un saber a enseñar, específicamente las que provienen del saber sabio y de los documentos oficiales, ya que la evolución de cada saber en las diferentes etapas del proceso de transposición didáctica se ve condicionada por la evolución de las demás. Se mostrarán primero los cambios que se han producido históricamente en el propio saber sabio y luego la evolución del álgebra como saber a enseñar. 2.1 Evolución histórica del álgebra El recorrido por la evolución histórica del saber sabio, mostrará cómo se ha constituido lo que hoy se denomina como álgebra elemental. El mismo se hará a partir de la descripción histórica realizada por Kline (1972) y siguiendo la división en tres grandes etapas propuesta por Chevallard (1989). Etapa 1: álgebra retórica En esta etapa se sitúa el origen del álgebra. Esta nace como generalización de la aritmética, es decir, se identifica al álgebra con la resolución de “problemas aritméticos”, y se la denomina álgebra retórica. En ella el lenguaje utilizado para plantear y resolver problemas es el denominado lenguaje natural y, en ocasiones, se utilizan las representaciones de la geometría sintética. Las cuestiones se plantean siempre en situaciones aritméticas o geométricas concretas, sin pretensión de generalización ni formalización. En este periodo ya se resolvían ecuaciones lineales y cuadráticas por métodos exclusivamente aritméticos, muy distantes del pensamiento algebraico posterior. La presencia de problemas algebraicos se remonta a los babilónicos (5000 a.C. -500 a.C.), dichos problemas eran formulados y resueltos en lenguaje coloquial y en las resoluciones no se incluían explicaciones ni validaciones acerca de los procedimientos utilizados. Se presentaba el mismo problema para distintas colecciones de datos, con el fin de mostrar en la variedad de ejemplos una supuesta generalización del algoritmo usado. Estaban familiarizados con la resolución de ecuaciones cuadráticas, cúbicas, bicuadradas y 18 sistemas de ecuaciones de varios tipos. Las incógnitas eran representaban por medio de palabras como “longitud”, “anchura”, “área” “volumen”. Uno de los principales aportes al álgebra en este período provino de los árabes, más precisamente de Al-Khwarizmi (780 – 850), quien desarrolló la teoría de ecuaciones en la primera parte del siglo IX y la publicó en su libro “precisiones sobre el cálculo del ál- jabr y al-muqabala”. Este libro fue la base del álgebra en lengua árabe y su influencia en la Edad Media occidental fue significativa. En él se realizaba un estudio de la resolución de ecuaciones de segundo grado a coeficientes numéricos, en lenguaje completamente retórico, sin la utilización de ningún símbolo. Todos los ejemplos numéricos que se presentaban tenían soluciones racionales positivas. Se utilizaba el sistema de numeración hindú (compuesto de 10 caracteres) para el tratamiento de lo numérico, refiriéndose a las operaciones a partir de las unidades, decenas, centenas, etc de un número. Si aparecía algún número irracional se lo llamaba gidr asamm (raíz muda o ciega) (Kline, 1972) En el texto se definían las especies de números como tesoros (término cuadrático de la ecuación), raíces (que se denominan así por las raíces del tesoro) y simples números (no atribuidos a raíces ni tesoros) Al ser la totalidad de los números considerados los positivos, presentaba 5 casos distintos de ecuaciones cuadráticas y uno lineal: “raíces y números iguales a tesoros”, “tesoros y números iguales a raíces”, “raíces iguales a tesoros”, “tesoros iguales a números” y “raíces iguales a números”, que en nuestra simbología actual corresponderían a las ecuaciones del tipo 𝑥2 = 𝑏𝑥 + 𝑐 , 𝑥2 + 𝑐 = 𝑏𝑥, 𝑥2 = 𝑏𝑥, 𝑥2 = 𝑐 y 𝑏𝑥 = 𝑐 respectivamente.En el libro se explicaba cómo resolver cada una de estas ecuaciones a partir de un ejemplo numérico. Las dos operaciones fundamentales que aparecían en el tratamiento de las ecuaciones eran: - Al-jabr: restaurar, componer, complementar, agregar. - Al-muqabala: poner en oposición, balancear. Al-jabr es la operación a través de la cual se completa un cuadrado y, consecuentemente se agrega lo mismo a aquello que se tenía por equivalente. Al-muqabala es la manera de poder eliminar aquello que aparece igual en dos expresiones equivalentes. Los ejemplos se presentaban siempre con coeficiente 1 para la parte cuadrática, el tesoro. Si aparecía más de un tesoro se reducía la expresión a sólo 1; y si tuviera menos de un tesoro, se lo completaba hasta que tuviera 1. Con las operacines Al-jabr y al-muqabala se transformaba cualquier relación que se obtenga del enunciado de un problema en una de las formas canónicas. Las ecuaciones y las operaciones sobre ellas estaban todas expresadas en lenguaje retórico. Etapa 2: álgebra sincopada Antes del siglo XVI el único matemático que había introducido conscientemente el simbolismo para hacer más compacto y efectivo el razonamiento y la escritura algebraica 19 fue Diofanto. Todos los demás cambios de notación eran esencialmente abreviaturas de palabras normales introducidas de una forma un tanto accidental. En el renacimiento el estilo habitual era aún retórico, con uso de palabras especiales, abreviaturas, y por supuesto los símbolos de los números (Kline, 1972). En el siglo XVI, las demandas científicas que se ejercían sobre los matemáticos llevaron a la introducción de un mejor simbolismo. Probablemente las primeras abreviaturas usadas del siglo XV en adelante fueron p para “más”, y m para “menos”, pero en el renacimiento, y especialmente en los siglos XVI y XVII se introdujeron símbolos especiales. Lo símbolos + y – fueron introducidos por los alemanes en el siglo XV para denotar excesos y defectos en los pesos de cofres y arcas, y los matemáticos los adoptaron apareciendo en los manuscritos ya desde 1481. El símbolo x para “por” se debe a Oughtred, aunque Leibniz planteó la certera objeción de que podía confundirse con la letra x. (Kline, 1972) El signo = fue introducido por Robert Recorde (1510-58) en el 1557 quien escribió el primer tratado del álgebra. El uso de símbolos para las incógnitas y sus potencias fue implementado de forma más lenta, autores, como Pacioli, a comienzo del XVI se referían a la incógnita como “radix” (raíz en latín), o res (cosa en latín), cosa (cosa en italiano), o coss (cosa en alemán), razón por el cual el álgebra llegó a ser conocida como el arte “cósico” Los exponentes fueron gradualmente introducidos para denotar las potencias de x. En su álgebra Bombelli utilizaba la palabra tanto en vez de cosa. Para designar x, 𝑥2, 𝑥3 escribía 1,2,3 así 1 + 3𝑥 + 6𝑥2 + 𝑥3 era 1p.31𝑝. 62𝑝. 13. En 1585 Stevin escribía esta expresión de la forma 10 + 31 + 62 + 3.Descartes hizo un uso bastante sistemático de los exponentes enteros positivos. Escribía 1 + 3𝑥 + 6𝑥2 + 𝑥3como1 + 3𝑥 + 6𝑥𝑥 + 𝑥3 El cambio más significativo en el carácter del álgebra fue introducido por Francois Viète (1540 -1603) en relación con el simbolismo. Fue el primero en usar letras sistemáticamente y con un propósito, no sólo para representar una incógnita o las potencias de una incógnita, sino como coeficientes generales. Habitualmente usaba consonantes para las cantidades conocidas y vocales para las desconocidas. “Viète trazó la línea divisoria entre aritmética y álgebra” (Klein, 1972, p. 350), él denominaba logística speciosa al método de operar con especies o formas de cosas, y logística numerosa al método de operar con números. Viète trató de establecer las identidades ocultas en forma geométrica en las obras griegas clásicas. Intentó recobrar tales identidades, completó el cuadrado de una expresión cuadrática general y expresó identidades del tipo general como 𝑎3 + 3𝑎2𝑏 + 3𝑎𝑏2 + 𝑏3 = (𝑎 + 𝑏)3, aunque él lo escribía como “a cubus +bin a quadr . 3 + a in b quad . 3 + b cubo aequalia 𝑎 + 𝑏̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ cubo”. 20 A descartes se deben ciertas mejoras en el uso de las letras de Viète. Empleaba las primeras letras del alfabeto para las cantidades conocidas y las últimas para las incógnitas, como se hace modernamente. Hacia fines del siglo XVII el uso deliberado del simbolismo y la conciencia de la potencia y generalidad que confiere habían hecho su entrada en la matemática. La solución de las ecuaciones de trecer y cuarto grado La solución de las ecuaciones de segundo grado por el método de completar cuadrado era conocida desde la época de los babilónicos y prácticamente el único progreso hasta 1500 fue llevado por los hindúes que trataban ecuaciones como 𝑥2 + 3𝑥 + 2 y 𝑥2 − 3𝑥 − 2 como un solo tipo, mientras que sus sucesores renacentistas preferían tratar las últimas como 𝑥2 = 3𝑥 + 2. Cardano (1501-1576) resolvió una ecuación de segundo grado con raíces complejas, pero despreció las soluciones como inútiles. La ecuación cúbica, excepto en casos aislados, había desafiado la matemática e incluso, Pacioli en 1494 afirmaba que la solución de ecuaciones de tercer grado era imposible. Fueron Tartaglia (1499-1557) y Ferrari (1522-1565) quienes aportaron las fórmulas de resolución de las ecuaciones cúbica y cuártica respectivamente, las mismas fueron divulgadas por Cardano en su libro Ars Magna en 1545, donde además desarrolló la generalización de la fórmula de Tartaglia, aplicable a la ecuación de la forma 𝑥3 + 𝑝𝑥 = 𝑞 . En los años posteriores se intentaron encontrar fórmulas para la ecuación de grado 5 por métodos similares, lo cual no fue posible, y entre finales del XVIII con Vandermonde y Lagrange y principios del XIX con Abel y Galois, se confirma la imposibilidad de resolver algebraicamente, “por radicales”, las ecuaciones de grado superior o igual a 5. De este trabajo surgieron los primeros conceptos del álgebra moderna (cuerpos, anillos, etc.) que marcan un nuevo periodo de desarrollo de la Matemática sabia. Fue en esta etapa donde el álgebra se apartó de la aritmética, con la logística de François Viète (1540-1603) el álgebra aparece ya como un método completo para operar sobre las especies o las formas de las cosas, y la aritmética, como una técnica que se ocupaba de los números. El álgebra se transformó así en el estudio de los tipos generales de formas y de ecuaciones, tomando como objeto de estudio el propio cálculo algebraico y constituyéndose como una nueva área de las matemáticas. Etapa 3: álgebra simbólica En la tercera etapa de la evolución del álgebra, todos los ámbitos de la matemática son atravesados por la herramienta que constituye el cálculo algebraico bajo su forma simbólica moderna, que encuentra nuevos campos de aplicación, primero en la geometría a partir de Descartes (1596-1650) y la teoría de números con Fermat (1601-1665) y después en el análisis matemático (que inicialmente se designaba como “análisis algebraico”) con la creación, a finales del siglo XVII, del cálculo infinitesimal. René Descartes llevó adelante un proyecto esencialmente nuevo: resolver problemas geométricos a través de la herramienta algebraica. Propuso representar los objetos 21 geométricos a través de objetos numéricos: a los puntos los identificaba con pares de números y a las rectas con conjuntos de pares que verificaban una cierta ecuación. Hay herramientas geométricas esenciales en esta modelización, por ejemplo, el teorema de Pitágoras, que permite identificar las rectas con las soluciones de una ecuación lineal. El principio de homogeneidad, presente en el trabajo matemático por más de 20 siglos, perdió vigencia con este tratado y la consideración de una unidad de cada eje del sistema de representación permitió ubicar en una misma línea, todas las potencias de un número ya localizado. Así, el trabajo algebraico fue adquiriendo el aspecto que actualmente conocemos. En este periodo moderno que llega hasta hoy día, se puede decir que todos los ámbitos de la matemática sabia actual están completamente algebrizados ya que es difícil encontrar actividades que se desarrollen sin recurrir al simbolismo algebraico. Fermat aplicó sus contribuciones al álgebra al estudio de curvas, inaugurando así el estudio de los espacios geométricos. Este matemático consideró una curva cualquiera y un punto genérico J sobre ella. La posición de J viene fijada por una posición “A” medida desde un punto O sobre una línea de base a un punto z. y la longitud E de Z a J. Fermat emplea así lo que denomina coordenadas oblicuas. Fermat había enunciado con anterioridad su principio general: siempre que en una ecuación se hallen dos cantidades incógnitas tenemos un lugar geométrico cuyo extremo describe una línea recta o una curva. Así los extremos J, J´ y J´´ de E en sus diversas posiciones describen la línea. Sus cantidades desconocidas A y E son en realidad variables, esto es, la ecuación en A y E es indeterminada. Aquí usó Fermat la idea de Viète de representar con una letra toda una clase de números. A continuación, Fermat dio varias ecuaciones algebraicas en A y E y analizó las curvas que describían. Resumiendo, en el recorrido anterior por cada una de las etapas en la historia de álgebra se aprecia el progreso en el descubrimiento de técnicas y fórmulas para la resolución de ecuaciones y la evolución de un lenguaje en el que esas técnicas y esas fórmulas aparecen, en el tercer período, verdaderamente expresadas. En la primera etapa se encuentra un álgebra relacionada a problemas aritméticos en la que enunciados y resoluciones eran expresados en lenguaje natural, en la segunda etapa los textos siguen escritos en lenguaje natural, pero se incorporan algunos términos técnicos escritos mediante abreviaturas, es en este período donde se toma como objeto de estudio el propio cálculo algebraico y se desarrolla la teoría de ecuaciones que será considerada una prioridad para los algebristas de la época. En la tercera y última etapa, el álgebra toma la forma simbólica moderna y encuentra nuevos campos de aplicación, esta etapa se extiende hasta la actualidad. 22 2.2 El álgebra escolar. 2.2.1 Evolución del álgebra como saber a enseñar Chevallard (1989) analiza las características del corpus matemático enseñado en los colegios de Francia y muestra la profunda reorganización que éste ha sufrido producto de sucesivos cambios, dentro de los cuales uno de los más potentes ha sido la reforma de las matemáticas modernas (1969-1972). Hacia el año 1958 en Europa comenzó a surgir la idea de generar un cambio en la enseñanza de las matemáticas como respuesta a la necesidad de una modernización que permitiera además adecuar la formación matemática al desarrollo científico y tecnológico de las principales sociedades occidentales. En esta línea, en el seminario de Royaumont, realizado en Francia en el año 1959 se congregó a matemáticos y representantes de 20 países europeos para prescribir las líneas centrales de lo que sería la reforma de la enseñanza de la matemática en primaria y secundaria. Hacia mediados de la década del 60 se convocaron reuniones y seminarios en los demás países europeos y en los Estados Unidos, siendo en este último donde la propuesta se institucionalizó gracias al contexto político que se vivía en ese momento. Chevallard (1989) realiza un recorrido por las transformaciones que ha sufrido el corpus matemático propuesto para ser enseñado, buscando mostrar cómo las modificaciones estructurales realizadas históricamente en el texto de la enseñanza imponen sus efectos, aunque de una manera oculta, incluso en la actualidad. Tradicionalmente el corpus matemático propuesto para ser enseñado “se organizaba en base a una gran dicotomía, la de la aritmética y el álgebra” (Chevallard, 1989, p.1). Así, en los documentos curriculares se diferenciabandos momentos, el primer tiempo es aquel del aprender de la aritmética que constituye la base sobre la cual, en un segundo tiempo, los autores fundamentan el recorrido del álgebra (Chevallard, 1989). Así, en la mayoría de los sistemas educativos los primeros años de escolaridad se limitaban al abordaje del corpus tradicional de la aritmética práctica, se encontraba así una primera parte destinada al estudio de la numeración con sus cuatro operaciones y problemas aplicados, las fracciones y el universo de las razones y proporciones junto con la regla de tres, así como también sus aplicaciones a problemas práctico. Se continuaba con el estudio de nociones geométricas y del sistema legal de medidas. La enseñanza del álgebra llegaba recién en el segundo curso de secundaria (13-14 años), donde la matemática se dividía en los tres bloques tradicionales de aritmética, álgebra y geometría. En esta organización clásica de las matemáticas enseñadas, en la enseñanza del álgebra tres temas aparecían como esenciales: los números algebraicos (es decir, los números relativos), el cálculo sobre expresiones algebraicas y el tratamiento de las ecuaciones algebraicas (de primer y segundo grado) y los problemas asociados Chevallard (1989). 2.2.2 El pasaje de la aritmética al álgebra Como quedó de manifiesto en el recorrido anterior, en sus comienzos, el álgebra sabia posibilitaba la resolución de problemas aritméticos, por lo que se consideraba como una 23 continuación y ampliación de la aritmética. La relación entre algebra y aritmética ha dado origen a diferentes concepciones que han condicionado la forma de organizar el corpus matemático escolar. Chevallard (1989) señala que en un principio aritmética y álgebra eran consideradas como opuestas, y si la aritmética constituía, en un primer nivel de instrucción, un conjunto coherente y relativamente completo, ella era entonces en un segundo nivel, el fundamento sobre el cual el aprendizaje del álgebra tomaba apoyo. En relación a cómo debería darse el pasaje de la aritmética al álgebra Chevallard (1989) expone que lo esperado sería proponer un problema que en un principio se asemejara a un problema de esos que la aritmética permite resolver, pero que al estudiarlo las herramientas que esta proporciona resultaran insuficientes, sin embargo, ocurre que la mayoría de los autores parten de un problema al que se le puede obtener la solución desde la aritmética, para presentar luego la solución desde el álgebra. Para ejemplificar lo anterior, el autor selecciona y analiza un problema de un manual de álgebra de la escuela primaria publicado en 1924: “Tenemos un corte de tela de cierta longitud y un segundo corte que es 4 metros más largo. Estos dos juntos miden 40 metros. Preguntamos la longitud de cada corte” (Chevallard, 1985, p.4). La solución aritmética y algebraica que propone Chevallard para este ejemplo, se desarrollan a continuación. Solución desde la aritmética: Representan la longitud del 1er corte por una línea. Para el segundo corte, una línea similar aumentada en 4 m. Examinando esta representación gráfica, se puede ver que el 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑞𝑢𝑒ñ𝑜 + 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑞𝑢𝑒ñ𝑜 + 4𝑚 = 40, o 2 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑞𝑢𝑒ñ𝑜 + 4𝑚 = 40𝑚. Por lo tanto, 2 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 40𝑚 − 4𝑚 = 36𝑚. Así el 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑞𝑢𝑒ñ𝑜 = 36𝑚: 2 = 18𝑚 𝑦 𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑝ó𝑛 = 18 + 4𝑚 = 22𝑚 Solución algebraica En lugar de la línea, se propone para el 1er cupón de la letra x. Lugo, para el 2do cupón: 𝑥 + 4 24 De allí se puede escribir: 𝑥 + 𝑥 + 4 = 40𝑚 2 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑥 + 4 = 40 𝑚 2 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑥 = 40 𝑚 − 4 𝑚 = 36 𝑚 𝑥 = 36 𝑚: 2 = 18 𝑚 𝑦 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑝ó𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 = 18𝑚 + 4𝑚 = 22𝑚 Como puede observarse se presenta un problema de estructura simple que no requiere la introducción de procedimientos algebraicos ya que puede obtenerse la solución a través de métodos aritméticos sin mayores dificultades. La enseñanza del álgebra como generalización de los conocimientos aritméticos perdura hasta la actualidad. Chevallard (1989) menciona que el pasaje de la aritmética al álgebra es aún más marcado a principios del siglo XIX, y es con el estudio del álgebra que se introducen los "signos algebraicos". En un manual que puede fechar finales del siglo XVIII, y cuyo primer capítulo está apropiadamente titulado "Nociones preliminares sobre el pasaje de la Aritmética al Algebra, explicación y uso de signos algebraicos", el autor introduce cuidadosamente los signos de suma, resta, multiplicación, división, el signo de igualdad, y finalmente el desconocido x. La introducción de signos "algebraicos" a partir de los elementos de la aritmética, que definitivamente prevalecerán en el siglo XIX, atenúa de algún modo la marca formal del paso de la aritmética al álgebra. Así, en una segunda etapa de la dialéctica entre la aritmética (la antigua) y el álgebra (la nueva), el álgebra aparece como el cumplimiento de la aritmética, es un instrumento superior para una tarea similar. Es una aritmética universal -como lo llama Newton- o una aritmética generalizada, como señala Poinsot un siglo después, quien considera que: "El álgebra elemental no es más que una aritmética generalizada, es decir, extendida de números particulares, a números cualesquiera y, en consecuencia, las operaciones reales que uno realizaba se convierten en operaciones que solo están indicadas por signos; por lo que en esta primera parte especulativa se establece el resultado de operaciones sucesivas y se busca descubrir fórmulas para la solución de todos los problemas de la misma clase" (Chevallard, 1989). 2.2.3 La reforma de las matemáticas modernas La llegada de la reforma de las matemáticas modernas a partir de los años 60, generó un profundo cambio en la organización tradicional del cuerpo matemático enseñado. En los nuevos programas de la enseñanza secundaria publicados en 1969 ya no se encuentra 25 ningún rastro de los tres bloques de contenido tradicionales y sólo se indica una serie lineal de lecciones o temas sin ninguna agrupación aparente, es así que la estructuración aritmética/álgebra, antes mencionada, desaparece Chevallard (1989). Con los cambios que sufre la aritmética con la llegada de la reforma algunas partes desaparecen, más precisamente las constituidas por problemas prácticos. Por su parte, el sector de los números y de las operaciones con los números que constituía la base del sistema anterior, no solamente no desaparece, sino que, por el contrario, se produce una progresión en el estudio de las estructuras numéricas. En lo que respecta al álgebra, esta sí se ve fuertemente desfavorecida con los cambios producido, al punto tal de que su nombre desaparece por completo de la organización del cuerpo matemático a enseñar. El conjunto de cálculos algebraicos y ecuaciones algebraicas se vio fuertemente reducido en los programas reformados. Sin embargo, la pérdida que sufre el álgebra es selectiva, ya que las partes numéricas del álgebra resisten bien a la reforma. Las fracciones, por ejemplo, que fueron dejadas en el olvido durante largo tiempo serán reinstaladas como un elemento central del programa (en 1971). Tal como lo afirma Chevallard (1989) “Son las partes "algebraicas" del álgebra, del cálculo y las ecuaciones algebraicas- que se pierden en la modernización” (p.13). 2.2.4 Dialéctica entre lo numérico y lo algebraico Para explicar la desaparición de las partes algebraicas del álgebra, Chevallard (1989) realiza un análisis de la evolución de la dialéctica entre lo numérico y lo algebraico. La oposición estructural de la aritmética y el álgebra correspondía, en principio, a una dialéctica funcional numérico / algebraica. Dicha dialéctica existe aún desde antes de la construcción de un lenguaje algebraico propiamentedicho. Ejemplo de lo anterior es la distinción que hacían los griegos entre dos aritméticas, la aritmética vulgar o logística y la aritmética que implicaba la teoría de los números. Si bien en ambas se manipulaba un lenguaje numérico no lo hacían para las mismas tareas, en la primera lo utilizaban para realizar cálculos mientras que en la segunda los aritméticos estudiaban la estructura del mundo numérico. El dominio del cálculo numérico se rige por la ley de simplificación, donde uno de sus principios es el de realización de cálculos. De acuerdo con este principio la expresión 4+8 no sería una respuesta numérica, sino más bien un paso intermedio ya que el cálculo está “incompleto”. Desde esta postura “4+8” y 12 son equivalentes ya que designan el mismo número, en cambio, para la aritmética “algébrica” es necesario hacer una distinción entre “4+8” y 12 ya que si bien designan la misma cosa no aportan la misma información, por ejemplo, en la primera queda en evidencia que el doce es la suma de dos potencias de dos. La creación del lenguaje algebraico permitió mejorar el estudio de lo numérico, que hasta ese momento era realizado con métodos matemáticos insuficientemente adecuados, así lo algebraico pasó a ser una herramienta del estudio de lo numérico, la primera y más elemental. A su vez, para que el funcionamiento de esta herramienta fuera efectivo lo numérico debía ser también una herramienta para estudiar lo algebraico, de esta manera 26 el flujo se invierte y es por esto que se puede hablar de dialéctica entre lo numérico y lo algebraico. Con la reforma de las matemáticas modernas más allá de las transformaciones en el corpus matemático del álgebra y de la aritmética los cambios sustanciales se vieron en la dialéctica entre ambas. Con la eliminación de la oposición álgebra - aritmética, se alteraron las condiciones de la conexión entre lo numérico y lo algebraico, ambos dominios “coexisten en una simple yuxtaposición y encuentran en sí mismos su propia justificación” (Chevallard, 1989, P.27), la distancia entre la herramienta y el objeto de estudio desaparecen y “ya no es lo algebraico lo que permite estudiar lo numérico, es lo numérico lo que "justifica" y "permite comprender" lo algebraico” (Chevallard, 1989, P.27). Chevallard (1989) resume lo anterior diciendo: “La dialéctica de lo numérico y lo algebraico se pierde: uno de sus términos (el algebraico) se disuelve en el otro (el numérico), a quien se le otorga por naturaleza una existencia casi material, y del cual lo algebraico procederá genéticamente” (p. 27). En la actualidad el primer aprendizaje del cálculo algebraico se hace en un marco formal y no funcional, en el que el alumno aprende a desarrollar, factorizar, simplificar expresiones porque se le pide hacerlo, no porque ello le permita resolver o facilitar alguna tarea. Por ejemplo, si le pidiera a un estudiante factorizar la expresión (2𝑥 − 3)2 − 4(𝑥 + 1)(4𝑥 − 6)(4𝑥2 − 9) aunque llegara rápidamente a la expresión factorizada, es probable que el estudiante no pudiera establecer conexión alguna entre la transformación a la que ha sometido a la expresión y por ejemplo la sustitución de valores numéricos. En este ejemplo relación del estudiante con el cálculo algebraico no incorpora la idea de una relación entre la manipulación algebraica de la expresión, por un lado, y los valores numéricos en la expresión. La manipulación de las expresiones algebraicas en el curso del primer aprendizaje organizado en el colegio, en efecto, no está dirigida hacia ninguna meta matemática exterior al cálculo algebraico, el cual debe ahora encontrar en sí mismo su propia justificación. Entonces las "reglas" de esta manipulación están inmotivadas por causas puramente formales y se expresan por las consignas que ellas mismas estandarizan (desarrollar, factorizar, etc.) (Chevallard, 1989). 2.2.5 Sistemas de números y cálculos algebraicos El lugar y el rol del cálculo algebraico en el colegio, inevitablemente conducen entonces a la cuestión de los sistemas numéricos, entre uno y otro existe una relación necesaria. Por un lado, como ya se ha mencionado, los sistemas numéricos proporcionan los dominios de cálculo que serán la base para el desarrollo del cálculo algebraico, por otro el cálculo algebraico constituirá una herramienta fundamental de la construcción de los sistemas de números sucesivos. 27 Una definición formal de sistema numérico sería la siguiente: se llama sistema de números a todo el conjunto 𝑆𝑛 sobre el cual se puede en un principio definir: 1. una adición (denotada +), operación binaria asociativa, conmutativa, que posee un elemento neutro (denotado 0); 2. una multiplicación, operación binaria asociativa, conmutativa, que posee un elemento neutro (denotado 1), y distributiva con respecto a la adición. Los sistemas de números poseen además una relación de orden total compatible con la adición y la multiplicación. Un cuarto requisito (rara vez enunciado) indica: dados 𝑃(𝑥) 𝑦 𝑄(𝑥), ambos polinomios de primer grado con coeficientes en 𝑆𝑛 (𝑃 (𝑥) = 𝑎𝑥 + 𝑏, 𝑄 (𝑥) = 𝑐𝑥 + 𝑑, 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑 𝑒𝑛 𝑆𝑛), se llama "ecuación de primer grado sobre Sn" a una igualdad del tipo 𝑃(𝑥) = 𝑄(𝑥). y se establece que toda ecuación de primer grado en Sn que no es una identidad posee en Sn al menos una solución. Esta última propiedad aleja los dominios de cálculo no integrados, como por ejemplo el anillo de matrices cuadradas de orden dos y proporciona además un primer ejemplo de la manera en que el álgebra va a permitir la formulación y el estudio de las propiedades de los sistemas numéricos (Chevallard, 1989). Finalmente, Chevallard (1989) enuncia una última propiedad de la definición de sistemas de números, motivada por el problema recurrente y fundamental que tienen los sistemas de números estudiados en el colegio: “tales sistemas, en efecto, nunca contiene suficientes números”. La necesidad de su extensión repetida (de N a Z, de Z a Q, etc.) proviene de esta insuficiencia, a la cual se le puede encontrar un doble origen. El primero es extrínseco, nace con el uso original que se hace de los números para medir magnitudes. Para hacer frente a esta necesidad impuesta por los problemas de medida, Chevallard (1989) agrega a su definición la siguiente exigencia: “Si 𝑎 > 𝑏, entonces existe c tal que 𝑏 + 𝑐 = 𝑎. En estas condiciones, una ecuación de primer grado se escribe bajo la forma 𝑎𝑥 + 𝑏 = 𝑐 y las reglas de simplificación implican inmediatamente que una ecuación de ese tipo tiene por lo menos una solución en 𝑆𝑛, por lo que entonces ella no es una identidad” (p. 57). Como puede observarse, la condición anterior se expresa con la ayuda de una ecuación (de primer grado) y de una desigualdad: si 𝑎 > 𝑏, entonces la ecuación 𝑥 + 𝑏 = 𝑎 posee una solucion (y solo una) en 𝑆𝑛. En general, la noción de ecuación (algebraica) es la herramienta esencial para conducir extensiones sucesivas de sistemas de números estudiados, por lo menos hasta los Racionales. El segundo tipo de insuficiencia de los sistemas de números utilizados es intrínseco, proviene del hecho de que, en un momento dado, no disponemos de los números necesarios para que resulte un cálculo algebraico "agradable". 28 Los dos tipos de insuficiencia en algunos casos se superponen, entonces el pasaje de Z a Q, dominio de cálculo sobre el cual la ecuación 𝑎𝑥 = 𝑏 (con a no nulo) tiene siempre una solución, permite a la vez medir desde el principio las magnitudes (por ejemplo, una parte de un segmento de medida 1 que uno ha dividido en 3 partes iguales) y también disponer de un cálculo más manejable (en el cual la división por un número no nulo es siempre posible) (Chevallard, 1989). Desde el punto de vista didáctico, Chevallard (1989) establece que, cualquiera sea la estrategia didácticautilizada se deben distinguir dos objetivos en la enseñanza del álgebra en la escuela: por un lado, dicha enseñanza debe asegurar un manejo formal satisfactorio del cálculo algebraico, y por otro permitir una dialéctica entre el manejo formal del cálculo algebraico y el conocimiento de los sistemas de números. Para precisar esta afirmación el autor introduce la noción de modelización algebraica que se desarrollará en el apartado siguiente. 3. La actividad de modelización matemática en la TAD El enfoque antropológico considera a la actividad de modelización matemática como el núcleo de la actividad matemática. Se habla de la producción de conocimientos matemáticos relativos a un sistema a partir del uso de un modelo matemático de dicho sistema. Chevallard, Bosch, y Gascón (1997) afirman que: “Un aspecto esencial de la actividad matemática consiste en construir un modelo (matemático) de la realidad que queremos estudiar, trabajar con dicho modelo e interpretar los resultados obtenidos en este trabajo para contestar a las cuestiones planteadas inicialmente. Gran parte de la actividad matemática puede identificarse, por lo tanto, con una actividad de modelización matemática” (p.51). Tradicionalmente la noción de modelización se ha reservado al estudio de sistemas no matemáticos como los provenientes de la Física, Biología, Economía, etc. usando algún sistema teórico de la Matemática. Sin embargo, Chevallard (1989) reivindica también la noción de modelización para pensar la producción de conocimientos de un sistema matemático a través de otro sistema, también matemático, a esta modelización la denomina modelización intramatemática. En relación a esta idea Chevallard, Bosch y Gascón (1997) agregan: “Hemos caracterizado el hacer matemáticas como un trabajo de modelización. Este trabajo convierte el estudio de un sistema no matemático o un sistema previamente matematizado en el estudio de problemas matemáticos que se resuelven utilizando adecuadamente ciertos modelos. Se pueden destacar tres aspectos en este trabajo: la utilización rutinaria de modelos matemáticos ya conocidos; el aprendizaje y, la eventual enseñanza, de modelos y de la manera de utilizarlos; y la creación de conocimientos 29 matemáticos, es decir de nuevas maneras de modelizar los sistemas estudiados” (p. 52). Es por lo mencionado anteriormente que cualquier actividad matemática se puede describir en términos de la interrelación entre sistemas y modelos, es decir, que en toda actividad matemática se puede identificar un sistema en torno al cual se formulan cuestiones problemáticas que motivan, y dan origen, a la construcción de ciertos modelos que permiten aportar respuestas a dichas cuestiones. A fin de pensar en un mismo movimiento de los dos tipos de estudio (modelización de un sistema matemático o extramatemático), Chevallard (1989) propone un esquema general de modelización organizados en tres estadios: 1. Un primer estadio corresponde a la problemática inicial. Se define el sistema que se pretende estudiar, especificando los aspectos relevantes para el estudio. En este primer momento también surgen cuestiones generales sobre el sistema, en un principio ingenuas y a las que no se les puede dar respuesta inmediata. 2. El segundo estadio corresponde a la construcción del modelo: acá se construye el modelo estrictamente mediante el establecimiento de una serie de relaciones, R, R´, R´´, etc., entre las variables determinadas en la primera etapa. 3. El tercer y último estadio corresponde al trabajo sobre el modelo obtenido con el fin de producir conocimiento relativos al sistema estudiado, conocimientos que toman la forma de nuevas relaciones entre las variables del sistema y que permitirán enunciar luego problemas nuevos cuya formulación no hubiese sido posible sin disponer del modelo algebraico del sistema y del trabajo realizado con su ayuda. Esta última etapa es siempre una fase propiamente matemática. Chevallard (1989). A su vez, el autor propone un ejemplo de modelización en el que se pueden apreciar los pasos descriptos anteriormente: En el mismo se considera como sistema a los rectángulos sin considerar en ellos la posición en el plano, se comienzan identificando las variables medidas de los lados con las letras a y b, a la diagonal se la designa con la letra d, al área con la letra S y con las letras u y v se nombran las medias de los ángulos que forman las diagonales con los lados (primer estadio). 30 Figura 1: imagen extraída de Chevallard (1989) A partir de lo anterior establece el siguiente repertorio de relaciones: 𝑆 = 𝑎𝑏, 𝑑2 = 𝑎2 + 𝑏2, 𝑢 = 𝐴𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 𝑏 𝑎 ), 𝑣 = 𝐴𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 𝑎 𝑏 ) (estadio 3). Y finalmente, a partir de un trabajo simple sobre el modelo obtiene un nuevo conocimiento: el sistema, parametrizado inicialmente por las medidas a y b, puede ser también producido pode las medidas de d y u de la siguiente manera: 𝑑2 = 𝑎2 + 𝑏2 𝑏 𝑎 = 𝑡𝑎𝑛𝑔(𝑢) Entonces: 𝑎2 + 𝑎2 ∙ 𝑡𝑎𝑛2(𝑢) = 𝑎2(1´ + 𝑡𝑎𝑛2(𝑢)) = 𝑎2 𝑢2 = 𝑑2 De esta forma pueden expresarse sus lados en relación a la diagonal y un ángulo: 𝑎 = 𝑑 ∙ cos(𝑢) 𝑏 = 𝑑 ∙ 𝑠𝑒𝑛 (𝑢) Es a partir del trabajo con el modelo que pueden establecerse las siguientes relaciones 𝑎𝑏 = 𝑆 y 𝑏 𝑎 = 𝑡𝑔(𝑢) y se deduce también que 𝑏 = √𝑆 ∙ 𝑡𝑎𝑛𝑔(𝑢) y 𝑎 = √𝑆 ∙ 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝑔(𝑢). Estas relaciones constituyen un conocimiento nuevo que no habría sido visible en el sistema inicial. Chevallard (1989) afirma: “un modelo es interesante toda vez que él permite producir conocimientos que con otra visión no se nos darían tan fácilmente” (p. 63). A su vez, el autor propone para ilustrar esta afirmación el siguiente ejemplo: “El teorema de Pitágoras enuncia una relación característica de los triángulos rectángulos, por lo que constituye un modelo de los triángulos rectángulos, donde las variables son las medidas de los lados a, b, c, y entonces 𝑐2 = 𝑎2 + 𝑏2. Esta igualdad tiene una interpretación clásica en el 31 registro del sistema: el área del cuadrado construido sobre la hipotenusa es igual a la suma de las áreas de los cuadrados construidos sobre los dos lados que forman el ángulo recto. Pero esta igualdad aparece producto de relaciones que no resultan directamente visibles desde el punto de vista geométrico. Si multiplicamos ambos miembros de la igualdad anterior por 𝜋 8 se obtiene 𝜋 8 𝑐2 = 𝜋 8 𝑎2 + 𝜋 8 𝑏2 a partir de lo cual se puede establecer la siguiente interpretación geométrica: el semicírculo cuyo diámetro es la hipotenusa es igual a la suma de las áreas de los semicírculos construidos sobre los dos lados que forman el ángulo recto. Y, a su vez, si se multiplicara la igualdad de Pitágoras por un coeficiente numérico adecuado k uno podrá decir la misma cosa a propósito de los triángulos equiláteros: (𝑘 = √3/4), o de todas las otras figuras parecidas entre ellas construidas sobre los lados del triángulo” (Ibid., p. 63). En el ejemplo analizado, la distancia entre el sistema y el modelo resulta clara, el segundo funciona como un dispositivo que permite obtener conocimientos sobre el sistema que modeliza. En relación a este aspecto, Chevallard (1989) afirma que el modelo no debe ser una imagen del sistema, sino más bien una “máquina” que permite producir conocimientos sobre el sistema modelado. Dicho en otras palabras, un modelo no es una copia o reproducción de la realidad, sino más bien una construcción artificial, puesta en relación con la realidad de determinada manera que se supone adecuada. Se enfatiza así que la principal función del modelo no es la de parecerse al sistema que modeliza, sino la de aportar conocimientos sobre él y hacerlo de la forma más económica y eficaz posible. Chevallard (1989) describe además dos aspectos esenciales de la modelización: reversibilidady recurrencia. La condición de reversibilidad refiere a que el modelo puede invertirse y el sistema puede aparecer como un modelo de su modelo. El autor propone el siguiente ejemplo: 𝑎2 𝑎𝑏 ab 𝑏2 En este caso las relaciones entre las áreas pueden ser modelizadas por la igualdad algebraica (𝑎 + 𝑏)2 = 𝑎2 + 𝑏2, pero a su vez la figura puede considerarse un modelo geométrico de la igualdad. En este sentido Chevallard (1989) afirma: “El estudio de un modelo puede cambiar de sentido, donde un conocimiento que se refiere sobre uno de los términos de la relación de modelización puede ser transformado en el otro término”. A su vez el autor agrega que “cuando a b 32 un sistema ha sido estudiado y en este caso, se supone conocido, ofrecerá por traslación, indicaciones sobre uno u otro de los modelos” (p. 65). Por su parte la idea de recurrencia se asocia a la idea de que todo objeto matemático es fruto de un proceso de modelización, pero que, a su vez, todo modelo puede ser tomado como sistema en un estudio de nivel superior, lo cual genera una sucesión de modelizaciones y una serie de modelos. En dicha sucesión de modelizaciones los sistemas van siendo cada vez más matematizados y los sucesivos modelos progresivamente construidos e integrados en los sistemas anteriores, van generando nuevas cuestiones problemáticas y provocando la necesidad de seguir con el proceso de modelización Chevallard (1989). De la idea anterior se desprende que la modelización intramatemática es una etapa necesaria de todo proceso de modelización extramatemática y, por otro lado, que el proceso de modelización es un proceso continuo y progresivo impulsado por el cuestionamiento constante de la adecuación del modelo al sistema y de su capacidad para dar respuesta tanto a las cuestiones iniciales como a las que van apareciendo a lo largo del proceso de estudio. Chevallard (1989) ejemplifica esta característica con el sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas 𝑥 + 𝑦 = 11 2 𝑦 𝑥 ∙ 𝑦 = 6 que modeliza el sistema formado por un rectángulo de área 6 y perímetro 11, del cual se puede a su vez dar un modelo matemáticamente equivalente a través de la ecuación cuadrática 2𝑥2 − 11𝑥 + 12 = 0. Considerado en su momento como un sistema matemático, esta ecuación tiene entonces un modelo “estándar”, la fórmula 𝑥 = 11±√(−11)2−4∙2∙12 2∙2 que permitiría determinar el valor de uno de los lados del rectángulo y por consiguiente los restantes. Así el trabajo sobre el modelo puede ser interpretado como la construcción de modelos sucesivos que permiten responder cuestiones que inicialmente no podían ser resueltas. Esta "recurrencia" de los modelos se conjuga con la reversibilidad de la relación de modelización antes mencionada. Invirtiendo la relación de la modelización vista anteriormente, es posible encontrar ventaja al mirar al modelo constituido sobre las ecuaciones 𝑥 + 𝑦 = 4, 𝑥 ∙ 𝑦 = 3 que muestra inmediatamente que los números 1 y 3, donde la suma vale 4 y el producto 3 son soluciones de la ecuación propuesta, la cual no admite otras soluciones puesto que es una propiedad general de estos sistemas matemáticos que son las ecuaciones cuadráticas que no admiten más que dos soluciones. 3.1 La modelización matemática como instrumento de articulación de la matemática escolar Como se ha mencionado anteriormente, desde la visión de la TAD, las obras matemáticas, así como también el propio proceso de estudio tienen una estructura praxeológica. Cuando en un proceso de modelización se generan cuestiones más amplias y complejas que las anteriores surgen a su vez nuevas necesidades teóricas que permitan construir y justificar 33 nuevas técnicas capaces de resolver dichas cuestiones. Es así que el proceso de estudio de un tipo de problemas desemboca en la reconstrucción institucional de organizaciones o praxeologías de complejidad creciente. La consideración de una cuestión problemática inicial surge siempre en el ámbito de una praxeología previamente disponible. La delimitación del sistema no es más que la delimitación de esta praxeología. La construcción de un modelo matemático de este sistema implica construir una nueva praxeología que actuará como una máquina productora de conocimiento sobre el sistema considerado. Es por lo anterior que puede distinguirse entre modelos locales, y modelos regionales. Chevallard (1989) lo ejemplifica de la siguiente manera: la geometría de Descartes puede considerarse un modelo algebraico de la geometría del plano, este modelo fue extendido al espacio en 1700 y recién a fines del siglo XVII se desarrolló en toda su amplitud. Sin embargo, estos aún resultaban insuficientes para el estudio de otros fenómenos del plano o del espacio y fue necesaria la elaboración de modelos más potentes como la geometría diferencial y la geometría algebraica. El modelo algebraico de la geometría es lo que se considera un modelo regional o también una teoría. Es habitual que se utilice la palabra modelo sin hacer distinción entre modelos regionales y locales, la construcción de los modelos locales se inscribe en relación a una teoría o modelo regional. Por su parte la construcción de un modelo regional se apoya en otros sistemas a modelizar y en el sector en el que ellos aparecen y supone por lo menos una teoría parcial de los sistemas estudiados, permitiendo ampliar el campo de conocimientos relacionados. 3.2 Modelización algebraica Como ya se ha mencionado, Chevallard (1989) postula que la actividad matemática es una actividad de modelización. Además, el autor, a partir del análisis de la génesis del álgebra muestra que, ante todo el álgebra es un instrumento al servicio del trabajo matemático y como tal, permite explicitar y manipular la estructura de los problemas matemáticos. En este sentido puede decirse que el álgebra es un instrumento de modelización de las praxeologías matemáticas, que posibilita un proceso de algebrización de las mismas. A partir del análisis del texto “La modelización como concepto” de Yves Chevallard (1989). Se describen las siguientes características del álgebra como instrumento de modelización: - El álgebra escolar es un instrumento que permite llevar a cabo una actividad de modelización ya sea de sistemas extramatemáticos como intramatemáticos (dicho instrumento atraviesa todos los sectores de la matemática). - Permite explicitar y manipular la estructura de los problemas matemáticos. - A través del proceso de modelización algebraica es posible generar conocimiento sobre un sistema (lo matematizado), conocimiento al que no se podría acceder si 34 no fuera a través de la construcción del modelo (lo matemático) y el posterior trabajo sobre él. - La gestión del instrumento algebraico supone un conocimiento previo del objeto que se pretende matematizar, aplica tanto para los sistemas intramatemáticos como extramatemáticos. Dicho de otro modo, la delimitación del sistema, la construcción del modelo, y el mismo trabajo sobre el modelo, se basan en nuestro conocimiento previo del dominio de realidad del cual se trata de estudiar uno de sus fragmentos (el sistema considerado). - Las actividades que se privilegian en la modelización algebraica son: La construcción de modelos de sistemas extra o intramatemáticos, así como también el trabajo sobre el modelo construido seguido de la interpretación y justificación en términos del sistema estudiado. Formulación de nuevos problemas sobre el sistema estudiado. El juego entre parámetros y variables. La funcionalidad el uso el instrumento algebraico presupone el uso de parámetros, alienta la reapropiación de la noción de fórmula y lleva a familiarizarse desde el principio con la noción de utilidad. Construcción de ecuaciones o fórmulas a partir de expresar de dos formas diferentes una misma cantidad
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