TODO LO QUE SIEMPRE HA QUERIDO SABER SOBRE LO QUE SUS ESTUDIANTES PIENSAN QUE SABEN PERO TENÍAN MIEDO DE PREGUNTAR

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Journal of Materials Education

Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas [email protected]

ISSN (Versión impresa): 0738-7989 MÉXICO

2000 E. Werwa

TODO LO QUE SIEMPRE HA QUERIDO SABER SOBRE LO QUE SUS ESTUDIANTES PIENSAN QUE SABEN PERO TENÍAN MIEDO DE PREGUNTAR

Journal of Materials Education, primavera, año/vol. 22, número 1-3 Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas

Toluca, México pp. 20-26

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TODO LO QUE SIEMPRE HA QUERIDO SABER SOBRE LO QUE SUS ESTUDIANTES PIENSAN QUE SABEN PERO TENÍAN MIEDO DE PREGUNTAR

E. Werwa

Department of Physics and Astronomy, Otterbein College, Westerville, OH 43081, USA [email protected]

RESUMEN

Un repaso sobre la literatura educativa, sobre los conceptos ingenuos acerca de los principios de química y física y las encuestas de los visitantes a los museos de ciencias revelan que la gente de todas las edades tienen una sólida alternativa con respecto a las nociones de la naturaleza de los átomos, la materia y la unión que persiste a pesar de la educación científica formal. Algunas confusiones surgen de las profundas diferencias sobre la forma en la que los científicos y el público en general utilizan los términos, tales como: materiales, metales, líquidos, modelos, función, materia y enlaces. Muchos modelos que elocuentemente articulan la formación de los átomos y las moléculas para los científicos conocedores no son entendidos en su mayoría por la gente común y pudieran promover nociones ingenuas entre el público. Los cambios de un tipo de modelo atómico a otro y los cambios en las escalas de medida son particularmente confusos para los aprendices. La habilidad de la gente para describir y entender las propiedades de los materiales está basado en su mayor parte en las experiencias tangibles y la mayoría de lo que los estudiantes aprenden en la escuela no los ayuda a interpretar sus encuentros con los materiales y fenómenos de la vida diaria. La identificación de estos retos ayudará a los maestros a impartir mejor los principios de la ciencia de los materiales a los estudiantes de ingeniería, y será de particular beneficio en el diseño de un museo de exhibición móvil de los Materiales del Micro-Mundo.

Palabras clave: repaso, preconcepciones, interpretaciones erróneas, nociones ingenuas, nociones alternativas.

INTRODUCCIÓN

En diciembre de 1998, el Consejo de la Sociedad de Investigación de Materiales aprobó el concepto de Micro-Mundo de los Materiales, un museo móvil de exhibición que le enseñará

al público en general y en particular a los niños sobre los materiales. La necesidad de la educación pública es aparente para cualquier científico del área de los materiales que ha tratado de explicar lo que se hace. El ciudadano común ni siquiera sabe lo que la ciencia de los materiales es, mucho menos entiende la ciencia detrás de los materiales y sus propiedades. Parte

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Todo lo que Siempre ha Querido Saber sobre lo que sus Estudiantes Piensan que

Saben pero Tenían Miedo de Preguntar 21

del proceso de desarrollo de la exhibición fue determinar en mayor detalle lo que la audiencia seleccionada sabe de los materiales para la exhibición y qué interpretaciones erróneas tiene. Alguna investigación se ha realizado (principalmente con la población estudiantil) sobre el conocimiento de la física y química relacionados con los materiales. Estos estudios son a menudo omitidos por la comunidad de la ciencia de los materiales ya que son publicados en revistas educativas. Un producto del proyecto del Micro-Mundo es una combinación de estas fuentes, facilitando el acceso a la información.

PROCEDIMIENTOS

Las concepciones públicas y erróneas reportadas en este ensayo fueron identificadas por medio de una revisión de la literatura educativa y a través de dos encuestas en las audiencias comisionadas y llevadas a cabo entre los visitantes al Centro de Ciencias de Maryland en julio de 1999. La búsqueda de la literatura fue realizada utilizando los resúmenes educativos y las bases de datos de los artículos primarios disponibles a través de la OCLC FirstSearch utilizando las siguientes palabras clave: interpretaciones erróneas, educación sobre la ciencia de los materiales; conceptos erróneos en la química y la física; educación en la química y en la física. La base de datos educativa sobre materiales ERIC también fue investigada por medio de palabras similares, así como los contenidos de revistas relevantes, tales como la Revista de la Enseñanza de la Investigación y la Ciencia. Las referencias de la investigación inicial se apegan a las fuentes adicionales proveídas. Este reporte es una muestra abreviada de los descubrimientos completos del estudio.

Las encuestas en la audiencia principal se llevaron a cabo por la firma de Randi Korn &

Asociados (RKA). En general, la evaluación de esta audiencia es conducida para proveer plantaciones de exhibición con información sobre su audiencia durante las etapas de planeación de una exhibición. Los objetivos de

la evaluación fueron determinar la habilidad de los visitantes para reconocer e identificar los diferentes tipos de modelos atómicos, su habilidad para interpretar los cambios a escala necesarios para modelar estructuras del Micro- Mundo, cómo describen los visitantes a los materiales y cómo ellos hablan de las propiedades de un material y su habilidad para conceptualizar una relación entre las propiedades del material y su estructura atómica. Dos juegos de entrevistas se llevaron a cabo. En una entrevista, se les pidió a los visitantes una combinación de preguntas abiertas y cerradas sobre los modelos atómicos y las imágenes que describen los cambios a escala. En el otro, a los visitantes se les pidió una serie de preguntas abiertas sobre un grupo de materiales (objetos diarios). Las preguntas abiertas se utilizaron para fomentar y motivar a los visitantes a expresar sus opiniones y sentimientos, recolectar sus memorias y asociaciones y compartir con el entrevistador respuestas bien pensadas a preguntas complejas. Las preguntas cerradas se utilizaron para diferenciar el conocimiento y habilidades específicas de los visitantes, en este caso con respecto a los átomos. Todas las entrevistas fueron grabadas y transcritas para facilitar su análisis. Las entrevistas fueron llevadas a cabo en un área silenciosa del 4º piso del Centro de Ciencias de Maryland en Baltimore. Para seleccionar a los participantes el entrevistador se dirigió al primer visitante elegible (niños entre 10 y 14 años y adultos de 18 o más) para que cruce una línea imaginaria en el piso y se le pidió que contestara algunas preguntas. Se utilizaron dos guías de entrevistas separadas para llevarlas a cabo. En las entrevistas acerca de los átomos, a los visitantes se les hicieron algunas preguntas sobre los modelos atómicos, imágenes etiquetadas de modelos utilizados por los científicos de las materias y se hicieron selecciones sobre los cambios a escala de cuatro juegos de imágenes. En la otra entrevista, a los entrevistados se les pidió que describieran una variedad de materiales y sus propiedades.

Después de que los visitantes completaron la entrevista, el entrevistador esperó al siguiente visitante elegible. Se llevaron a cabo un total de 30 entrevistas sobre los átomos (15 niños y 15

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adultos) a lo largo de tres días. Y un total de 30 entrevistas acerca de los materiales y sus propiedades se realizaron en dos días (15 niños y 15 adultos).

DISCUSIÓN

No es sorprendente que los resultados de las encuestas principales y las literarias fueron consistentes una con otra. En su mayor parte, los entrevistados expresaron una familiaridad con los modelos e ilustraciones de la estructura atómica, a menudo hablando acerca de ellos utilizando la terminología apropiada. Sin embargo, la mayoría de este conocimiento fue superficial y algunos conocimientos erróneos fueron aparentes. En particular, a pesar de que los entrevistados reconocieron los modelos e ilustraciones genéricamente para representar a los átomos, moléculas, elementos o químicos, a menudo utilizaron esta terminología intercambiablemente. Aún más, no pudieron hablar sobre los modelos más específicamente o diferenciar entre ellos cuando se les pidió que lo hicieran.

En general, los entrevistados describieron a un grupo de tres modelos de estructuras atómicas (dos modelos tridimensionales y una ilustración) en términos muy sencillos.¹ Cuando a los entrevistados se les pidió inicialmente mirar a los modelos, la mayoría de los adultos intentaron identificar inmediatamente en lugar de describir los modelos, mientras que la mayoría de los niños comenzaron con una descripción y tuvieron entonces que ser impulsados a identificar los modelos. Casi todos los adultos, y sólo algunos niños, identificaron a los modelos como representativos de estructuras atómicas o moleculares, aún así no pudieron elaborar más allá. Más aún, a la mayoría de los entrevistados que expresaron el reconocimiento de los modelos les faltó confianza en sus respuestas.

Algunos entrevistados, particularmente los niños, hablaron acerca de los átomos y las moléculas de manera intercambiada con una terminología asociada a la biología, tal como genes y células, al describir los modelos. La

confusión de los átomos y las células humanas es vista a menudo entre los estudiantes, y como tal perciben a los átomos como entes “vivos”.² Muchos estudiantes están conscientes del hecho de que los átomos están constantemente en movimiento dentro de los materiales, pero perciben erróneamente este movimiento como

“el estar vivo” en lugar de ser el resultado de la energía termal.³

Cuando se les presentó con un grupo de cuatro ilustraciones de estructura atómica y se les pidió que las identificaran utilizando una colección de etiquetas, todos los entrevistados tuvieron problemas para igualar las imágenes con las etiquetas.¹ De hecho, cuando se les pidió todos los entrevistados exclamaron que estuvieron adivinando. De manera interesante, a pesar de que los entrevistados encontraron que algunas de las imágenes eran más familiares que otras no siempre correspondió a etiquetarlas correctamente. Por ejemplo, casi todos los adultos y muchos de los niños declararon que la tercera imagen (una molécula) era familiar, aún así muy pocos entrevistados la etiquetaron como tal. En su lugar, la mayoría de los entrevistados etiquetaron a la imagen como un átomo o núcleo. Esta falta de habilidad para identificar los modelos comunes, se acentúo cuando se tomó en consideración otras dificultades que el público en general tiene para entender los modelos. Dyche encontró que los estudiantes atribuirían aspectos de un modelo utilizado para describir un concepto abstracto o un objeto invisible que no está relacionado al contenido científico como parte de ese contenido.⁴ Un modelo atómico que utiliza astas para simular electrones dados o aceptados en la unión resultó en la creencia de los estudiantes de que todos los átomos tenían astas y hendiduras. Los estudiantes aprendieron el modelo pero no el concepto que se suponía debe mostrar.

Tomando el modelo literalmente, los estudiantes designaran los cambios físicos hechos a un objeto (tales como el aplanar una bola de barro) como algo que le sucede a los átomos (o sea que los átomos tienen superficies planas). Los cambios entre los modelos son muy difíciles para los aprendices. Un material

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particular relacionado con un modelo que es especialmente difícil es la nube de electrones o el modelo del armazón del electrón.⁵ Los estudiantes tienen un campo muy grande de creencias, incluyendo una fotografía de una matriz dentro de la cual los electrones existen en forma de gotas de agua en una nube, y su caparazón se parece al de las conchas marinas, o cascarones de huevos que rodean al átomo.

Con respecto al tamaño y la escala, los entrevistados saben que la escala del mundo anatómico es pequeño y entienden lo que significa el cambiar la escala en términos de

“zooming” o acercamientos dentro y fuera.¹ Aún así, cuando son confrontados con la comprensión del mundo a micro-escala de los átomos, sus propias percepciones de lo pequeño ya no funcionan. En particular, los niños, debido a su dependencia sobre “la forma en la que las cosas se ven” en lugar de interpretar el tamaño a través de las etiquetas, expresaron esta dificultad mucho más que los adultos. Por ejemplo, cuando se les pidió que adivinaran el tamaño de un átomo comparado con el grosor de un cabello humano, la mayoría de los entrevistados adivinaron que cientos de miles de átomos cabrían. Para ellos, esta adivinanza indicó una escala extremadamente pequeña, algo que ellos ya no podían ver. Muy pocos entrevistados adivinaron correctamente, o sea un millón, o un número cercano, sugiriendo una abertura significante dentro del potencial de entendimiento del visitante de “muy pequeño”

y el tamaño a micro-escala de la ciencia de los materiales. Estos descubrimientos son reforzados por otros estudios^6,7 que han encontrado que los estudiantes confunden a los átomos y las moléculas y no pueden con precisión estimar el tamaño de las moléculas, generalmente creyendo que las moléculas son mayores de lo que son realmente. De hecho, muchos estudiantes creen que un microscopio puede ser útil para la observación de las moléculas.⁶

Interesantemente, a pesar del uso de los diferentes métodos, casi el mismo número de niños y adultos eligen la imagen magnificada cuando se les muestran imágenes múltiples.¹

Parece que los niños “adivinaron correctamente” algunas veces, y más notablemente, los adultos algunas veces interpretaron erróneamente las etiquetas. En conjunto, las líneas de zoom y las barras de escala fueron mal interpretadas más a menudo por adultos y niños; la “la pulga en el primer plano” una etiqueta visual, seguida por una notación de x1000 fue interpretada correctamente con frecuencia. Sin embargo dicha etiqueta fue la más popular entre todos los entrevistados, debería notarse que muchos de los adultos parecían bloqueados al principio por la pulga, siendo ésta una forma convencional de etiqueta.

Los entrevistados no estaban acostumbrados inicialmente a hablar acerca de materiales en términos científicos.¹ Sin embargo, una vez que se les llevó a través del proceso de mirar y observar una variedad de materiales y contestar preguntas continuas, la mayoría de los visitantes indicaron que la estructura atómica fue responsable de la diferencia entre los materiales. Cuando primero se les pidió a los entrevistados que definieran a los “materiales”

(después de que se les dijo que la entrevista era acerca de la ciencia de los materiales), la mayoría respondieron enlistando cosas que ellos consideraron que eran materiales. Los adultos asociaron más frecuentemente los

“materiales” con fuentes naturales y elementos encontrados en la naturaleza, tales como el agua, madera y minerales. Los niños la mayoría de las veces asocian los “materiales” con fabricas, ropa y objetos manufacturados. De manera interesante, muchos entrevistados definen “materiales” en formas que tienen relevancia personal para sus vidas. Por ejemplo, un número de adultos asocian a los materiales con suministros para la construcción, y algunos niños con elementos escolares. Muy pocos entrevistados inicialmente hablaron de

“materiales” en términos de una estructura atómica, estos resultados no son sorprendentes.

Stavy encontró que los estudiantes tuvieron dificultad para explicar cual es “la cuestión”.⁸ Los estudiantes del 1º, 3º, 5º y 7º grado respondieron por medio de ejemplos, por medio de: la función, la estructura (cosas hechas de),

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la propiedad o refiriéndose a cosas, como lecturas sobre materiales. Cuando pedimos definir si hubo algún problema, los estudiantes lo hicieron bien con los sólidos pero tuvieron problemas con los líquidos, los gases y la materia biológica. Por su edad, hay un cambio en la clasificación hacia una más científica, pero no hay un cambio en la explicación o definición del término en cuestión. Para muchos, la cuestión es algo que ellos puedan ver y palpar, preferentemente un sólido o algo inanimado. Estos descubrimientos fueron paralelos a los de Birley, quien encontró que los niños clasifican correctamente los materiales que son en su mayoría sólidos con poca dificultad.⁹ Para las cosas que son

“intermedias” (papel, hielo seco, una pelota de tenis de mesa, hielo, telas) no existe una manera fácil para que los niños identifiquen las sustancias basadas en las propiedades que ellos utilizan para describir estos materiales. Los niños parecen tener tres diferentes percepciones de los sólidos rígidos, no-rígidos y polvos.

Cuando a los entrevistados se les pidió que describieran una serie de materiales (un perno de hierro, una taza de cerámica, un resorte de cobre, una banda elástica, una caja de plástico y un aro de aluminio) la mayoría inicialmente respondió identificando el objeto y/o material de lo que estaba hecho el objeto y también proveyeron algunas descripciones de las características físicas observables, tales como el color y textura.¹ No parecieron, al principio estar familiarizados con la descripción de objetos en términos de sus propiedades de comportamiento. Después de que el entrevistador les dio algunas sugerencias para que pensaran sobre cómo se comportan los materiales en diferentes condiciones (por ejemplo: piensa lo que sucede cuando se calienta, cuando se cae al piso, cuando está en el agua), ellos pudieron describir algunas propiedades de comportamiento. Sin embargo, la mayoría de los entrevistados no utilizaron la terminología correcta al describir las propiedades de comportamiento de los materiales. Esto complicó el determinar si, por ejemplo, ellos sabían la diferencia entre la dureza y la plasticidad. Una vez más esto es

consistente con lo que se había encontrado por otros investigadores,⁹ quienes habían encontrado que la mayoría de los niños tienen un concepto restringido de un metal, ejemplificado por un gran pedazo de acero pesado; plateado en color, magnético y duro.

Los niños dependen de las propiedades cuando describen a los materiales, pero a menudo estas propiedades difieren de aquellas que los científicos consideran importantes, (ej.

maleable, dúctil y conductores de calor y electricidad). Los estudiantes se basan en el conocimiento intuitivo y en las cosas que han aprendido anteriormente, tales como la identificación de un objeto como la lana de hierro recordando que el hierro es un metal.

Esto presenta problemas con la identificación –si los estudiantes no saben que el hierro es un metal, pero saben que un cuchillo está hecho de hierro, entonces ellos piensan que un cuchillo no está hecho de metal–. Los estudiantes tienen dificultad con la jerarquía de las categorías (ej.

cobre, hierro y aluminio son metales, no separados de los metales).

A los entrevistados se les facilitó describir las propiedades de comportamiento de algunos materiales más que otros.¹ La mayoría de los adultos y niños hablaron con más facilidad sobre las propiedades de comportamiento de los materiales que fueron familiares para ellos o aquellos con propiedades que pudieron ser observados a través de una simple manipulación. Por ejemplo, la caja de plástico es un objeto familiar. A través de las experiencias pasadas con objetos similares, los entrevistados hablaron sobre la dureza y plasticidad (pero sin usar esta terminología).

Aún más, al manipular la banda elástica y el resorte de cobre, la mayoría de los adultos y niños pudieron hablar acerca de sus propiedades de comportamiento a través de la observación. Al jalar y estirar ambos objetos, los entrevistados pudieron ser testigos fácilmente de la elasticidad y plasticidad. La excepción a esto fue la taza de cerámica, otro objeto familiar. En lugar de describir sus propiedades de comportamiento, la mayoría de los adultos se enfocaron a sus usos y la mayoría de los niños se enfocaron en su apariencia en

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términos de forma y color. Por el contrario, pocos entrevistados describieron las propiedades de comportamiento de los objetos que fueron menos familiares y con menos facilidad de manipulación, específicamente el perno de hierro y el aro de aluminio. La mayoría de los adultos y niños entrevistados enfocaron sus descripciones de estos dos objetos sobre las características físicas observables, tales como la textura y la apariencia.

Cuando inicialmente se les preguntó qué ocasiona que algunos materiales se comporten de manera diferente a otros, la mayoría de los entrevistados respondieron al afirmar simplemente que era debido a que están hechos de diferentes materiales o por la forma en la que fueron manufacturados.¹ Sin embargo, después de repetir la pregunta varias veces, la mayoría de los adultos respondieron hablando acerca de las estructuras atómicas o moleculares de los materiales, a menudo describiendo las diferencias en la forma en la que los átomos y las moléculas se unían. Casi la mitad de los niños pudieron describir las diferencias en los materiales de esta misma manera pero generalmente sin tanto detalle. Sin embargo, el uso de dichos términos no garantiza el entendimiento. A menudo, los estudiantes no hacen la distinción entre las propiedades de una sustancia y las propiedades de un átomo individual que componen la sustancia, la descripción de un átomo de cobre como maleable¹⁰ o la percepción de los átomos en el hierro como duros.⁴ Al describir la apariencia de los átomos de carbón, los estudiantes generalmente empiezan con “negro” e integran otras propiedades táctiles asociadas con el grafito o el carbón.¹¹ Esto se extiende a la percepción de los cambios en los materiales.

Por ejemplo, cuando se considera la ebullición del agua, muchos estudiantes creen que las moléculas son de diferentes tamaños en la fase del líquido y el gas, expandiéndose a medida que la temperatura aumenta.^3,4 Esto sugiere la dificultad general que la gente tiene para diferenciar los cambios físicos y químicos. Por ejemplo, los maestros de las escuelas primarias en Inglaterra confundían los cambios químicos

con los físicos, al describir muchos de ellos la ebullición del agua como una transformación en la cual las moléculas del agua se dispersan.³ Esto sugiere la mayor dificultad que la gente tiene con la diferenciación de los cambios físicos y químicos. Por ejemplo, los maestros de la escuela primaria de Inglaterra encontraron confusión en los cambios físicos y químicos describiendo regularmente la ebullición del agua como una transformación en la que las moléculas del agua se rompen.¹²

La gente a menudo tiene interpretaciones falsas acerca de las propiedades de los materiales en sí mismos. Cuando se les pregunta aún a los estudiantes de facultad a menudo afirman que cuando arrugas una hoja de aluminio, la haces más pesada.¹³ Mientras ellos puedan usar un vocabulario sofisticado para describir la masa, la densidad y el peso, ellos no entienden las diferencias y no saben por que los objetos flotan. De hecho, algunos estudiantes creen que los objetos tienen que contener aire para flotar.¹⁴ Como parte de una dificultad general para el entendimiento de las propiedades termales de la materia, muchos encuestados sobre la densidad involucran el entendimiento de lo que sucede a la densidad en un pedazo de material cuando su temperatura es alterada.¹⁴ Esto es común debido al hecho de que los estudiantes tienen una gran dificultad para diferenciar entre el concepto de calor (vibraciones en los átomos de un material) y temperatura (la medida de cuanto calor está presente).¹⁵ Los estudiantes también tienen problemas al predecir lo que le sucede a la temperatura de un objeto mantenido en un calentador y al predecir lo que significa un cambio en temperatura o un calentamiento a escala atómica–molecular, a menudo, la predicción de que los átomos cambian en tamaño cuando son calentados en lugar de vibrar con más amplitud.¹⁶

CONCLUSIONES

Es claro que la mayoría del público en general y una gran porción de los estudiantes mantienen muchas preconcepciones e interpretaciones

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erróneas acerca de los materiales. Estas concepciones hacen que la tarea de los maestros de las materias sea un reto, tanto en la clase como en el museo móvil. Existen varias estrategias y metodologías que pueden ayudar a superar estos conceptos. Con respecto a la terminología, cuando se habla de los materiales, es importante definir claramente palabras tales como átomo, molécula y elemento, ya que las personas comunes tienden a utilizar esta terminología mezclada. Para superar esto, consideremos enfocarnos a una interpretación errónea común, tal como lo es el intercambio de átomo y molécula con términos biológicos (ADN, célula) haciendo las diferencias explícitas. La palabra “materiales” tiene numerosos significados y puede ser interpretada en una multitud de maneras. Cualquier discusión debería comenzar con una definición clara y simple de “materiales” en el contexto en el cual se está usando. Al transmitir las estructuras, el uso de los modelos tridimensionales de la estructura atómica mejorará ampliamente la experiencia de los visitantes al museo de exhibición. Para ilustrar el tamaño, es mejor proveer una comparación con la escala humana, por ejemplo, si los átomos tuvieran el tamaño de las pelotas de golf, ¿qué tan grande sería una persona? Con respecto a las propiedades de los materiales, surgen muchas dificultades debido a las diferentes terminologías utilizadas por los científicos de las materias y por el público en general. Es primordial definir claramente palabras tales como “dureza”, “fuerza” y

“brillantez”. También es importante hacer que el propósito detrás de la prueba de los materiales sea explícita y, en un museo, enfatizar las conexiones entre lo que los visitantes están haciendo con los materiales y lo que los científicos hacen con ellos.

RECONOCIMIENTOS

Randi Korn y asociados fueron piezas claves en la creación y funcionamiento de las encuestas de los visitantes del museo. Tom Rockwell de Producciones Painted Universe creó los modelos para el uso de las encuestas. Las

encuestas fueron definidas por Materials Microworld Task Force (Mike Driver, Betsy Fleischer, Alan Hurd, Carol Inman, Alex King y Mirrilea Mayo). Esta obra es parte del proyecto del Micro-Mundo de los Materiales, apoyado por la Sociedad de Investigaciones de Materiales y la Fundación Nacional de Ciencias.

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