What learning progressions on carbon-transforming processes tell us about how students learn to use the laws of conservation of matter and energy

We report on learning progression research that tracks how students develop an understanding of matter and energy conservation as they pertain to the carbon-transforming processes of combustion, photosynthesis, cellular respiration, digestion, and biosynthesis. We find that typically only 10% of students in American high schools develop scientific explanations of these processes where they successfully conserve matter and energy (atoms in the inputs match those in the outputs and chemical energy is accurately associated with changes in chemical bonds). Students with confused explanations do not use the conservation laws to monitor their ideas. We present data that indicate that explicit instruction and consistent assessment on the use of the conservation laws as tools for understanding the carbon-transforming processes can advance students’ understanding.

ResumenEste artículo describe nuestras investigaciones respecto a las progresiones de aprendizaje que los estudiantes desarrollan al comprender tópicos de conservación de materia y energía, que se relacionan con procesos de transformación de carbono tales como combustión, fotosíntesis, respiración celular, digestión y biosíntesis. Nuestras investigaciones señalan que, en general, solo el 10% de los estudiantes de preparatoria de los Estados Unidos son capaces de explicar científicamente estos procesos utilizando las leyes de conservación de la materia y la energía en forma correcta, es decir, en que los átomos de los reactivos coinciden con los de los productos y la energía química se asocia correctamente a cambios en los enlaces químicos. En cambio, los estudiantes cuyas explicaciones son confusas no utilizan las leyes de la conservación de la materia y la energía para elaborar sus ideas. En este artículo presentamos datos que indican que la enseñanza explícita de las leyes de conservación de la materia y la energía y el uso de evaluaciones que sirvan como herramientas de aprendizaje, favorecen el avance y la progresión de los estudiantes al comprender los procesos de transformación de carbono.