Aplicación de las Tecnologías de la Información y la Comunicación a la enseñanza de la Óptica en el primer ciclo de la licenciatura en Física.

Aplicación de las Tecnologías de la Información y la Comunicación a la enseñanza de la Óptica en el primer ciclo de la licenciatura en Física.

M. A. Rebolledo y J. A. Vallés

Departamento de Física Aplicada – Facultad de Ciencias - Universidad de Zaragoza marebo@unizar.es

Palabras clave: Innovación, Docencia, Óptica

RESUMEN.

El objeto de la comunicación es mostrar el trabajo que hemos desarrollado durante los últimos años en la aplicación de las TIC a la enseñanza de la Óptica en el tercer curso de la licenciatura en Física.

Hemos puesto a disposición de los estudiantes, en el ADD de nuestra Universidad, los apuntes de teoría y los problemas de Óptica, la introducción teórica y guiones de prácticas de Óptica (conteniendo enlaces a numerosas fotografías de los montajes experimentales) y más de 200 enlaces de Internet que fundamentalmente contienen simulaciones dinámicas que ilustran las materias explicadas en clase.

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA.

La uso de las TIC para la enseñanza de la Óptica en el tercer curso de la Licenciatura de Física de nuestra Universidad se inició en 1996, utilizando un ordenador personal al que tenían acceso los alumnos a través de la red de nuestra Universidad y a través de Internet (vía FTP). Los estudiantes tenían acceso a gráficos que habían sido proyectados en clase, documentos con información complementaria a lo explicado en las clases, enunciados de problemas, guiones de prácticas, anuncios, etc.

El éxito del ensayo nos llevó a la solicitud de un proyecto Prysma, en 1997, que nos permitió disponer de un servidor propio en el que instalamos una colección de páginas Web, en las que se amplió la información complementaria que podían conseguir los estudiantes: enlaces a recursos contenidos en otras páginas Web, copias de capítulos de libros y artículos de revistas de interés, documentos con información sobre aplicaciones de los temas de la asignatura, etc. Se comenzó también a utilizar el correo electrónico para enviar información a los estudiantes y para plantearles algunas cuestiones e incitarlos a resolverlas.

En el año 2002 se solicitó un proyecto en la convocatoria del Programa de

Producción de Material Docente. Su concesión nos permitió poner en marcha una serie de acciones en las dos asignaturas con contenidos de Óptica del tercer curso de la Licenciatura en Física, que se presentan en el apartado siguiente.

ACCIONES LLEVADAS A CABO.

ACCIONES EN LA ASIGNATURA “ÓPTICA”.

¾ Acciones en el Anillo Digital Docente de la Universidad de Zaragoza.

‰ Confección y colocación de un libro electrónico sobre la asignatura.

El objetivo del libro es aumentar el aprovechamiento de las explicaciones en el aula (al reducir considerablemente la toma de notas) y ayudar a los estudiantes en el estudio posterior de los temas explicados.

El libro esta dividido en 10 capítulos que tratan los siguientes temas:

comportamiento y naturaleza de la luz, leyes de radiación, fuentes de radiación, medios anisótropos eléctricos, dispositivos de polarización, formación de imágenes, instrumentos ópticos, fotodetectores, coherencia e interferencias con rendijas, e interferómetros.

La estructura del libro está pensada para tratar de optimizar el aprendizaje de los estudiantes, procurando combinar continuamente los fundamentos, los desarrollos teóricos y la discusión de conclusiones científicas, con abundantes ejemplos de aplicaciones y desarrollos tecnológicos (incluyendo los más actuales). Por otra parte la organización de los capítulos está pensada para que en todos ellos haya una proporción importante de temas que atraigan especialmente la atención de los alumnos, como los láseres, la astrofísica, la física cuántica, las comunicaciones ópticas, etc.

Por otra parte, tanto los desarrollos teóricos como las aplicaciones, se ilustran con abundante información gráfica en color.

‰ Colocación de enlaces a recursos en Internet.

Cada uno de los capítulos del libro lleva asociada una colección de

abundantes enlaces que permiten ampliar conocimientos básicos y aplicados,

obtener información gráfica adicional y, sobre todo, llevar a cabo

simulaciones de los fenómenos físicos y montajes estudiados mediante la

descarga de applets de Java.

‰ Colocación de los enunciados de los problemas a resolver en clase.

Los enunciados están clasificados por capítulos. No se incluyen las soluciones de estos problemas, para evitar que los alumnos las copien sin esforzarse en la resolución.

‰ Colocación de exámenes resueltos de convocatorias pasadas.

Esto permite orientar a los alumnos sobre las pruebas que tendrán que realizar y sobre su nivel de conocimiento de la asignatura.

¾ Acciones en el aula:

‰ Explicación de lecciones mediante ordenador y cañón de proyección.

Se utiliza la aplicación Power Point de Microsoft. Las explicaciones están basadas en los contenidos del libro electrónico. Se utilizan también las simulaciones contenidas en los applets de Java a los que se accede mediante los enlaces a recursos de Internet colocados en el ADD, así como vídeos digitales que ilustran las explicaciones teóricas.

ACCIONES EN LA ASIGNATURA “TÉCNICAS EXPERIMENTALES II”.

¾ Acciones en el Anillo Digital Docente de la Universidad de Zaragoza:

‰ Información de fundamentos sobre las prácticas.

Se han confeccionado y colocado documentos electrónicos que explican los fundamentos de cada una de las prácticas, con abundante información gráfica.

‰ Guiones de prácticas ilustrados.

Se han elaborado y colocado guiones que indican, de forma detallada, la forma de llevar a cabo cada una de las prácticas. En cada guión se han incluido fotografías digitales de los montajes reales en las distintas etapas de la práctica.

Una vez expuestas las acciones llevadas a cabo, creemos que conviene ilustrar dos de ellas por su especial interés: las simulaciones basadas en applets de Java y los guiones de prácticas con enlaces a fotografías de los montajes.

COMENTARIOS SOBRE EL INTERÉS DE LAS SIMULACIONES BASADAS EN APPLETS DE JAVA.

La asignatura “Óptica” es una asignatura sin prácticas de laboratorio, ya que

Para ilustrar los conceptos y las aplicaciones explicadas, algunas de las clases se dan en el laboratorio, en el que se montan demostraciones manejadas por el profesor. No obstante, ni el material existente en el laboratorio ni el tiempo disponible en la asignatura permiten hacer esto para toda la materia explicada en clase. Un magnífico complemento es la utilización de applets de Java que simulen los fenómenos físicos explicados. En lo que sigue mostramos unos pocos ejemplos para ilustrar su utilidad.

Cada pie de figura lleva adjunto el enlace de Internet correspondiente.

En la figura 1 se muestra una instantánea de la simulación de la difracción de un haz de luz colimado (onda plana) por una rendija estrecha. Se puede visualizar tanto el haz de luz difractado como la distribución de intensidades. El programa permite cambiar la anchura de la rendija y la longitud de onda de la luz incidente para estudiar su influencia en la difracción.

Fig. 1.- Instantánea de la simulación de la difracción de luz por una rendija http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/diffraction/basicdiffraction/index.html

La figura 2 ilustra la simulación de la emisión de luz mediante el paso de un

átomo de un nivel de energía superior a otro inferior (en este caso el estado

fundamental). Puede observarse tanto la caída radiativa como las transiciones no

radiativas que ocurren entre los diferentes niveles del estado excitado. La repetición

sucesiva de la simulación permite observar el cambio del estado final de la transición de

absorción debido a la anchura espectral de la luz excitadora.

Fig. 2.- Instantánea de la simulación de la emisión de luz por un átomo http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/jablonski/index.html

La figura 3 ilustra el funcionamiento de un láser. El medio activo está limitado por dos espejos planos, uno a la derecha y otro a la izquierda. Los fotones de luz emitidos se representan mediante flechas. El programa simula la aparición de fotones en todas las direcciones del espacio y su amplificación. La reflexión de los fotones en la dirección perpendicular a los espejos hace que la amplificación se lleve a cabo preferentemente en esa dirección. La transmisión parcial del espejo derecho permite la salida de luz del láser.

Fig. 3.- Instantánea de la simulación del funcionamiento de un láser

http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-3/F3s5p1.htm

Fig. 4.- Simulación del fenómeno de doble refracción

http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/icelandspar/index.html

La figura 4 simula la producción de doble imagen mediante un cristal anisótropo. El programa permite el movimiento del cristal para situarlo encima de la línea escrita o del lapicero.

La figura 5 simula un haz de luz despolarizada (su plano de vibración va cambiando continuamente) que pasa por un polarizador lineal cuya dirección de transmisión puede cambiarse. La luz transmitida pasa a través de un segundo polarizador lineal que también se puede girar. El programa permite aclarar ideas sobre el comportamiento de la luz natural y la luz polarizada.

Fig. 5.- Simulación de la actuación de dos polarizadores lineales sobre un haz de luz http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/filters/index.html

En la figura 6 se muestra un simulador de formación de imágenes. Consiste en

un tablero negro con un eje horizontal, en el que se pueden introducir lentes, espejos,

Fig. 6.- Simulación de la formación de imágenes mediante sistemas ópticos:

Arriba anteojo astronómico. Abajo microscopio.

http://www.hazelwood.k12.mo.us/%7Egrichert/optics/intro.html

diafragmas, haces de luz paralelos, haces de luz provenientes de una fuente puntual y objetos verticales. El programa calcula inmediatamente las imágenes e ilustra muy bien todo lo que ocurre a lo largo del instrumento simulado.

En la parte superior de la figura se simula un anteojo astronómico. Puede observarse que aumenta porque la luz de salida está más inclinada que la de entrada. El aumento es negativo porque la luz entra de abajo a arriba y sale de arriba abajo. Puede observarse que la luz se concentra entre las lentes en el plano en el que se ha colocado un diafragma que, por lo tanto, es el diafragma de campo.

En la parte inferior de la figura se simula un microscopio. De un objeto cercano se produce una imagen en el infinito (haz paralelo). Puede observarse que el objetivo produce una imagen invertida y aumentada del objeto. El ocular permite visualizar esta imagen sin inversión.

La figura 7 ilustra los fenómenos que ocurren cuando se une un semiconductor

de tipo P (a la izquierda) con otro de tipo N (a la derecha). Esta unión puede utilizarse

como fuente de luz o como detector. Se presentan tres instantáneas del funcionamiento

del applet: antes de la unión, en el transitorio de unión y en el equilibrio final después

de la unión. Puede observarse el movimiento de las bandas de energía hasta que se

igualan los niveles de Fermi, la aparición progresiva de cargas y de campo eléctrico en

la unión y la progresión de las fuerzas de difusión y de repulsión de portadores de carga.

Fig. 7.- Simulación del transitorio de unión de un semiconductor de tipo P (izquierda) con otro de tipo N (derecha)

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation3/index.html

La figura 8 muestra como al aumentar el número de rendijas de una red de

difracción se estrechan los máximos de difracción, lo que implica un aumento del poder

resolutivo de la red. Las figuras 9 y 10 simulan el funcionamiento de un interferómetro

de Michelson y de otro de Fabry-Perot en los que se pueden modificar varios

parámetros para ilustrar la modificación de los anillos de interferencia.

Fig. 8.- Simulación de la difracción por dos rendijas (izquierda) y por una red de diez rendijas (derecha) http://www.xena.ad/lcf/optique/interference.htm

Fig. 9.- Simulación de un interferómetro de Michelson

http://www.physics.uq.edu.au/people/mcintyre/applets/michelson/michelson.html

Fig. 10.- Simulación de un interferómetro de Fabry-Perot http://www.physics.uq.edu.au/people/mcintyre/applets/fabry/fabry.html

GUIONES DE PRÁCTICAS.

Uno de los problemas importantes en la realización de prácticas de laboratorio es

la preparación previa mediante el estudio del guión, en ausencia de los montajes

experimentales. Tratando de paliar este problema hemos llevado a cabo, para cada una

de las prácticas, fotografías digitales en color de las instalaciones que se usan y de la

evolución de su montaje a lo largo de la práctica, destacando con más detalle algunas

partes de los montajes. Posteriormente hemos elaborado guiones en documentos PDF,

que a lo largo de la descripción de la práctica contienen enlaces a las fotografías

ilustrativas (figura 11). Como la descripción completa de una práctica con su texto y

enlaces sería muy prolija, exponemos a continuación un ejemplo de la primera página

del guión de la práctica sobre producción y caracterización de luz polarizada y

mostramos algunas de las fotografías con las que enlaza el guión, en las que hay

contenidos rótulos explicativos del material que aparece.

Fig. 11.- Página de un guión de prácticas en la que se observan enlaces (palabras subrayadas)

a fotografías ilustrativas, a lo largo del texto del guión.

Fig. 12.- Banco de calibrado de polarizadores lineales. De izquierda a derecha: Lámpara, lente colimadora, polarizador lineal a calibrar y lámina reflectante en ángulo de Brewster

con pantalla de observación de la reflexión.

En la figura 12 se observa el montaje que se utiliza para calibrar uno de los

polaroides que se utilizan en la práctica. Se envía sobre el polaroide un haz de luz

natural colimada (paralela) que incide sobre una lámina de vidrio negro de forma que el

ángulo de incidencia sea igual al ángulo de Brewster. En estas condiciones la

componente del campo eléctrico contenido en el plano de incidencia (en este montaje el

plano vertical) se anula en la luz reflejada. Por tanto al girar el polaroide en su propio

plano, la luz reflejada que se proyecta en la pantalla circular blanca (figura 13) pasará

por valor máximo cuando el campo eléctrico de la luz saliente del polaroide sea

perpendicular a plano de incidencia y por mínimo cuando sea paralela. Teniendo en

cuenta que el polaroide va montado sobre un limbo graduado, este fenómeno permite calibrarlo.

Fig. 13.- Luz reflejada en el montaje de la figura 12: brillante (izquierda) cuando la luz de salida del polarizador está polarizada perpendicular al plano de incidencia y oscuro (derecha) cuando la luz de

salida del polarizador está polarizada en el plano de incidencia.

Fig. 14.- Instalación de producción y análisis de luz polarizada. De izquierda a derecha: Lámpara de

sodio, lente colimadora, polarizadores lineales, lente focalizadora y detector con medidor de voltaje.

Fig. 15.- Detalle de componentes de polarización: Polarizador lineal (izquierda) y lámina cuarto de onda (derecha).

La figura 14 muestra el montaje que se utiliza para la producción y análisis de luz polarizada, una vez que se ha calibrado uno de los polaroides. La luz de una lámpara de sodio, una vez colimada, atraviesa el sistema de polarización (en la figura se muestra el caso de polarización lineal) y posteriormente es concentrada sobre el detector, en el que se registran los cambios de señal cuando el polaroide segundo va girando en su plano.

La Figura 15 muestra un detalle de uno de los polaroides y de la lámina de cuarto de onda que se utiliza para la producción de luz circularmente polarizada o elípticamente polarizada. La figura 16 muestra un detalle del sistema de detección, mientras que la 17 muestra un detalle del montaje de producción de luz circularmente polarizada o elípticamente polarizada. Finalmente la figura 18 ilustra un detalle del montaje cuando se utiliza para medir el poder rotatorio de una muestra de cuarzo.

Lo expuesto anteriormente da una idea de la estructura de los guiones que se

utilizan en las prácticas de Óptica.

Fig. 16.- Detalle del sistema de detección de luz: Lente colectora (izquierda),

detector (derecha) y voltímetro digital de lectura de señal (abajo).

Fig. 17.- Detalle de la producción y análisis de luz circularmente polarizada y elípticamente polarizada.

Fig. 18.- Detalle de la medida del poder rotatorio de una muestra de cuarzo.

COMENTARIOS FINALES.

En los apartados anteriores hemos descrito las experiencias que hemos llevado a cabo aplicando las Tecnologías de la Información y la Comunicación a la enseñanza de la Óptica en el primer ciclo de la Licenciatura en Física. El tiempo que han durado estas experiencias es más que suficiente para poder extraer algunas conclusiones.

Respecto a la confección de apuntes de clase, guiones de prácticas, etc. en formato electrónico, creemos que es de gran utilidad para los estudiantes, porque constituye una manera económica de poder incluir abundante información gráfica en color, que resulta de gran utilidad a unos alumnos que son muy sensibles al mundo de la imagen y disponen en su gran mayoría de un ordenador en su domicilio.

En cuanto al acceso de los estudiantes a sistemas de soporte de páginas Web, como el ADD de la Universidad de Zaragoza, tienen su verdadera utilidad cuando suministran enlaces a otros servidores de páginas Web en los que existe información de interés (especialmente aquellos en los que se ejecutan programas de simulación) o cuando proporcionan documentos que han sido elaborados recientemente por el profesor. Sin embargo, no creemos que estos sistemas sean útiles para almacenar documentos que ya hace tiempo que fueron elaborados por el profesor y que pueden ser distribuidos a los alumnos mediante copias en CD-ROM o DVD, evitando así la sobrecarga innecesaria de la red, que no tiene capacidad ilimitada.

Creemos que la interacción del profesor con los alumnos a través de la red es mucho más eficiente si se lleva a cabo mediante correo electrónico que si se lleva a cabo a través de una página Web. No obstante, estos procedimientos pueden ser un buen complemento de la interacción directa del profesor con el alumno, pero nunca un sustituto.

Respecto al uso de las TIC en el aula (cañón de proyección controlado por

ordenador) resulta muy útil la presentación de imágenes estáticas ilustrativas, que ganan

mucho en calidad respecto a los dibujos en la pizarra, y que además pueden volver a

presentarse posteriormente si los alumnos expresan dudas retrospectivas. No obstante,

hay que tener mucho cuidado en regular la velocidad de la explicación de la

información contenida en dichas imágenes, puesto que una velocidad excesiva

producirá más inconvenientes que ventajas. Todavía presenta más interés la

presentación de imágenes dinámicas, mediante aplicaciones propias o aplicaciones

ejecutadas a través de Internet. No obstante y a pesar de la gran utilidad de las TIC en el

aula (a las que estamos dedicando mucho esfuerzo entre todos en los últimos años) hay

que considerar que no deben utilizarse para sustituir a otras técnicas muy valiosas como los experimentos llevados a cabo en el aula con montajes reales, ni para justificar la falta de dedicación de medios económicos para otros recursos valiosísimos como son las aulas laboratorio en el caso de enseñanzas científicas.

AGRADECIMIENTOS.

Los autores quieren expresar su agradecimiento a la Universidad de Zaragoza

por los proyectos concedidos para la realización de actividades relacionadas con la

aplicación de las TIC a la docencia, así como a D. Sebastián Jarabo Lallana por su

colaboración en algunas páginas web elaboradas en los primeros años y a D. Manuel

Sevilla Gresa por la elaboración de los dibujos, en formato electrónico, que ilustran los

apuntes de la asignatura “Óptica” y los fundamentos de las prácticas de Óptica

correspondientes a la asignatura “Técnicas Experimentales II”.