DOCTORADO EN ENSEÑANZA DE LAS
CIENCIAS MENCIÓN FÍSICA
Universidad Nacional del Centro de la Provincia de
Buenos Aires
Facultad de Ciencias Exactas
Departamento de Formación Docente
Núcleo de Investigación en Educación en Ciencia y
Tecnología. NIECyT
TESIS DOCTORAL
“La enseñanza de conceptos básicos de Física Cuántica
para un aprendizaje significativo del Modelo Atómico
Actual”
Sonia Beatriz González
Tandil, junio de 2015
DOCTORADO EN ENSEÑANZA DE LAS
CIENCIAS MENCIÓN FÍSICA
TESIS DOCTORAL
“La enseñanza de conceptos básicos de Física Cuántica
para un aprendizaje significativo del Modelo Atómico
Actual”
Tesis Doctoral realizada por la Profesora Sonia Beatriz
González para optar por el título de Doctor en
Enseñanza de las Ciencias Mención Física, con la
dirección de la Dra. Consuelo Escudero
DOCTORADO EN ENSEÑANZA DE LAS
CIENCIAS MENCIÓN FÍSICA
TESIS DOCTORAL
“La enseñanza de conceptos básicos de Física Cuántica
para un aprendizaje significativo del Modelo Atómico
Actual”
Sonia Beatriz González
DEDICO ESTA TESIS
En vida a:
Mi esposo Oscar
Mi hija Virginia
Mi hermana Patricia
En memoria de
Mis padres, Dora y Raúl
Mi hermano, Jorge
6
AGRADECIMIENTOS
A las autoridades de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires.
A la Directora del Núcleo de Investigación y Educación en Ciencia y Tecnología y Coordinadora del Programa de Doctorado en Enseñanza de las Ciencias y la Matemática, Dra. María Rita Otero.
A los Profesores del Programa de Doctorado.
A las autoridades de la Facultad de Filosofía Humanidades y Artes de la Universidad Nacional de San Juan, en la figura de la Sra. Decana Mg Rosa Ana Garbarino.
A las autoridades del Departamento de Física y de Química de la FFHA en la figura de la Dra. Mabel Vega.
A mi Directora y amiga, Dra. Consuelo Escudero, que sigue apostando a la fundación de nuevos puentes para construir un legado destinado a aquellos que piensan a la Enseñanza de las Ciencias como una alternativa digna para un país ansioso por crecer.
A las profesoras que colaboraron generosamente con sus aulas durante el desarrollo de la propuesta didáctica: Mabel Frattesi y Margarita García.
Al Dr. Félix Gómez, que anima a sus alumnos y colegas a observar el mundo desde lugares diferentes.
A Rosa María Ruiz que colaboró generosamente con la organización y escritura de la tesis. A mis amigas: Graciela, Mabel, Mónica, Rosa María, Silvia y Consuelo, siempre alentando desde la tribuna.
A mis compañeras y compañeros del Grupo de Investigación, sobre todo a Lucía y Eduardo. A mis colegas del Departamento de Física y de Química: Susana, María de los Ángeles y Silvia, que hacen imperceptibles mis ausencias.
A Marcela Pereira y Facundo Varas, siempre dispuestos a liberarme de mis incompetencias tecnológicas.
7
INDICE………..6
Resumen………...13
Abstract………14
Résumé……….15
CAPÍTULO 1. PRESENTACIÓN 1.1-Introducción………..17
1.2-Contenidos de Ciencias Naturales y de Matemática vinculados con la introducción a la Física Moderna………18
1.2.1- Ciclo Básico. Ciencias Naturales………...19
1.2.2- Ciclo Orientado. Física y Química……….20
1.2.3- Ciclo Básico. Matemática………..21
1.2.4- Ciclo Orientado. Matemática……….23
1.3- Comentarios acerca de los contenidos………..26
1.4- Problema de la Tesis……….26
1.5- Formulación de la Hipótesis……….27
1.6- Propósitos. Generales y Específicos……….27
1.7- Esquema de conceptos sobre Modelo Atómico Actual………28
CAPÍTULO 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.1- Introducción………..29
2.2- Revisiones bibliográficas previas a 2009……….29
2.2.1- Greca, 2000………29
2.2.1.1- Artículos sobre concepciones de los estudiantes respecto de los contenidos de Mecánica Cuántica………30
2.2.1.2- Críticas a los cursos introductorios de Mecánica Cuántica………35
2.2.1.3- Propuestas didácticas………..36
2.2.2- Ferreira et al, 2011……….43
2.2.2.1- Propuestas didácticas………..43
2.2.2.2- Implementación de propuestas didácticas………...45
8
2.3.1- Publicaciones en Revistas y Actas……….48
2.3.1.1- La enseñanza de la Física Cuántica sin destacar el tema de Modelo Atómico………...48
2.3.1.2- La enseñanza de la Física Cuántica otorgando importancia al tema de Modelo Atómico………55
2.3.1.3- La enseñanza del Modelo Atómico……….56
2.3.1.3.1- Otros trabajos referidos al tratamiento del Modelo Atómico………..59
2.3.2- Trabajos de tesis relacionados con esta investigación………...59
2.4- Comentarios………..62
CAPÍTULO 3. LINEAMIENTOS METODOLÓGICOS 3.1- Cuestiones generales……….63
3.2- Selección de grupo-clase y preguntas de investigación………64
3.2.1- Descripción del grupo-clase………...67
3.2.2- Preguntas de investigación……….68
3.3- Metodología y estrategias metodológicas……….69
3.3.1- Unidad de análisis………. 70
3.3.2- Recolección de datos………..71
3.4- Tratamiento de datos. Un modelo interpretativo………..73
3.4.1- El carácter interpretativo……….. .75
3.4.2- Los estudiantes como sujetos vinculados con los medios de comunicación en relación a la escuela y su definición en la trama social actual……….76
3.4.3- Referencias epistemológicas de los conceptos, dos ejemplos: Modelo y Representación……….78
3.4.3.1- Modelo………79
3.4.3.2- Representación………80
3.4.4- La Teoría de los Campos Conceptuales. Aspectos metodológicos………81
3.4.4.1- Conceptos marcadores………82
9 CAPÍTULO 4. MARCO TEÓRICO
4.1- Introducción………..85
4.2- Referencias históricas y conceptuales sobre los modelos atómicos……….86
4.3- Lineamientos básicos de la Teoría de los Campos Conceptuales……….94
4.3.1- Las situaciones………...98
4.3.2- El lenguaje………100
4.4- La comunicación……….102
CAPÍTULO 5. PROPUESTA DIDÁCTICA 5.1- Introducción………109
5.2- Consideraciones generales………..109
5.3- Fundamentos………...110
5.3.1- Eje teórico-conceptual………..110
5.3.1.1- Estado………110
5.3.1.2- Incerteza cuántica. Constante de Planck. Dependencia entre variables………111
5.3.1.3- Las ondas de De Broglie………...113
5.3.1.4- Modelos………114
5.3.2- Eje psicológico-didáctico-comunicacional………..115
5.4- Descripción del contexto……….118
5.5- Conocimientos previos………119
5.6- Obstáculos y decisiones metodológicas………..119
5.7- Propósitos………120
5.8- Contenidos………...120
5.9- Desarrollo cronológico de las clases………...120
5.9.1- Día 1……….120
5.9.2- Día 2……… 126
10
5.9.4- Día 4……….133
5.9.5- Día 5……….138
5.9.6- Día 6……….142
5.9.7- Día 7……….148
5.10- Evaluación de las actividades del práctico integrativo……….154
5.10.1- Reflexiones acerca de la evaluación de la propuesta……….156
5.10.2- Ejemplos de esquemas según la tipología descripta………..156
CAPÍTULO 6. ANÁLISIS 6.1- Introducción………159
6.2- Primera fase……….159
6.2.1- Criterios de primeras lecturas………..162
6.2.2- Desarrollo del análisis de la primera fase………162
6.2.2.1- Valoración respecto al contenido………..162
6.2.2.2- Grado de completitud de las respuestas………163
6.2.2.3- Primeros comentarios acerca de los ítems sobre contenidos y completitud………….165
6.2.2.4- Conceptos que pertenecen o no al campo conceptual………..166
6.2.2.5- Tipos de argumentos……….169
6.2.3- Comentarios referidos a la fase 1……….170
6.3- Segunda fase………172
6.3.1- Estudio de respuestas a preguntas seleccionadas……….172
6.3.2- Comentarios referidos a la fase 2……….179
6.4- Tercera fase……….179
6.4.1- Conceptos generales……….179
6.4.2- Tablas de fragmentos de clases………181
6.4.3- Análisis de fragmentos de clases……….188
11
6.5.1- Energía……….192
6.5.2- Fotón………195
6.5.3- Estado………...198
6.6- Comentarios referidos a la fase 3………202
6.7- Análisis de la encuesta referida al uso de los medios de información y de comunicación: celular y computadora……….204
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y PROPUESTAS 7.1- Introducción………207
7.2- Conclusiones………...208
7.2.1- Notas finales acerca de los modelos, las situaciones didácticas y el lenguaje algebraico……….211
7.2.1.1- Los modelos………..211
7.2.1.2- Las situaciones………..211
7.2.1.3- El lenguaje algebraico………...212
7.3- Itinerarios para recorrer……… .212
7.3.1- Desde la Investigación……….212
7.3.2- Desde la Didáctica………213
7.4- Para finalizar………...216
BIBLIOGRAFÍA………..217
ANEXOS Anexo 1. Publicaciones de divulgación científica………..228
Anexo 2. Guía de observación de aulas………..229
Anexo 3. Modelos atómicos………...230
Anexo 4. Prueba experimental de existencia del fotón………..250
Anexo 5. Las ondas. Imágenes………...252
12
Anexo 7. Referencias de videos sobre ‗Ondas‘………..254
Anexo 8. Diagnóstico sobre noción de ‗Modelo‘………...255
Anexo 9. Mapa conceptual. Teorías acerca de la materia y la energía………...257
Anexo 10. Material de apoyo para los estudiantes……….258
Anexo 11. Práctico de revisión de ‗Modelo atómico‘………267
Anexo 12. Práctico sobre ‗Modelo atómico actual‘………...269
Anexo 13. Lectura: El petirrojo, un pájaro de mirada cuántica………..272
Anexo 14. Ejercicios de configuración electrónica………274
Anexo 15. Práctico integrador………276
Anexo 16. Tabla de apreciaciones generales del estudio………...279
Anexo 17. Encuesta sobre uso de recursos tecnológicos………...283
Anexo 18. Imágenes de divulgación sobre el átomo……….285
CUADROS 1.1-Contenidos de Ciencias Naturales……….19
2.1- Artículos sobre concepciones de los estudiantes respecto de los contenidos de Mecánica Cuántica………30
2.2- Críticas a los contenidos introductorios de Mecánica Cuántica………35
2.3- Trabajos destinados a enseñanza media………37
2.4- Trabajos destinados a enseñanza universitaria……….39
2.5- Propuestas didácticas………44
2.6- Agrupamiento de artículos………45
2.7- Implementación de propuestas didácticas……….45
2.8- Síntesis de trabajos de tesis………...59
6.1- Fragmento de cuarta clase………...181
6.2- Fragmento de quinta clase………..184
6.3- Tipo de acciones en el aula……….189
13 TABLAS
6.1- Criterios de expectativas con respecto a las respuestas………...161
6.2- Valoración respecto al contenido………162
6.3- Grado de completitud de las respuestas………..164
6.4- Uso de conceptos que pertenecen o no al campo conceptual……….166
6.5- Intersección entre alumnos y tres variables………167
6.6- Tipos de fundamentación ofrecidas por los estudiantes……….169
6.7- Estudio de respuestas a preguntas seleccionadas………172
6.8- Estimación del tiempo de uso de los instrumentos tecnológicos………205
6.9- Porcentajes de estudiantes que usan los medios para dos actividades………205
6.10- Uso de recursos audiovisuales en la enseñanza de la Física……….206
FIGURAS 4.1- Incertidumbre. Longitud de onda- Posición………..92
6.1- Intersección de dos tipos de respuestas………...165
14
RESUMEN
En este trabajo de investigación se realiza una exploración acerca de las acciones que realizan estudiantes de escuela media para intentar comprender los rasgos más generales del ‗Modelo Atómico Actual‘. La búsqueda se hace empleando como fuentes de indicios los trabajos escritos desarrollados en diferentes instancias del proceso de enseñanza y aprendizaje y los registros obtenidos a partir de las clases, donde las interacciones orales dan cuenta, aunque en forma parcial, del tipo de pensamiento conceptual que circula en el aula. Además se toman en cuenta para el estudio todas aquellas acciones que acompañan al texto oral: los diálogos entre pares, las respuestas extemporáneas, los gestos, los silencios, es decir, lo que forma parte del acto comunicativo.
La propuesta didáctica se desarrolló en la asignatura Física de primer año del ciclo superior de escuela secundaria, orientado en Humanidades y Ciencias Sociales, con un crédito horario semanal de 4 horas y al que asistía un grupo mixto de 38 estudiantes.
Se elaboró en torno a dos ejes conceptuales fundamentales: modelo y representación. Esta elección se realizó en consonancia con el tipo de contenidos a abordar, donde no se puede contar con la asistencia de la percepción sensorial.
El proceso de investigación, que toma como unidad de análisis la comunicación en dos formatos, oral y escrito, se encuentra atravesado por el carácter cualitativo, intrínsecamente interpretativo, enriquecido y enmarcado en las epistemologías contemporáneas: pragmatismo, dialéctica, genética.
Durante el mismo se fueron definiendo las características de un modelo que se propone como herramienta de análisis de clases, al que se le ha llamado ―Modelo interpretativo de análisis de clases de enseñanza de temas complejos‖. Y que luego, en una presentación preliminar, se emplea para el análisis de este mismo estudio.
Otra noción que surgió a partir del análisis de las producciones y del habla de los estudiantes, es la de ―concepto marcador‖, que son conceptos recuperados por los alumnos porque para ellos son portadores de una significatividad que les permite comenzar a internarse en un nuevo campo de conocimiento. En este caso fueron los conceptos de: fotón, energía y estado. Tal como se enuncia en el ―Modelo interpretativo de análisis de clases de enseñanza de temas complejos‖ fueron analizados a la luz de la Teoría de los Campos Conceptuales, fundamentalmente en el marco del concepto de esquema y suscribiendo la idea de que los conceptos-en-acción y los teoremas-en-acción son dispositivos articuladores entre el pensamiento y la acción.
Desde el punto de vista de la investigación queda claro que es factible construir balizas en el campo del aprendizaje y de la enseñanza, siempre que el marco teórico sea pertinente, y continuar contribuyendo con los fundamentos de la investigación en educación en ciencias, área en expansión intrínsecamente interdisciplinaria.
Desde el punto de vista de la Didáctica nos parece posible abordar con bastante fidelidad los conceptos de fotón, de probabilidad y de estado, en el marco de uno de los modelos más productivos de las ciencias tal como es el modelo atómico actual. Además se contribuye con el trazado de un esquema que se ha divulgado en diversas áreas de la vida de las personas como es el de ―armar pequeñas obras con pocos fragmentos‖, dadas las urgencias temporales que se imponen en las instituciones escolares y que frecuentemente impiden a los profesores asumir una perspectiva de largo plazo.
15
ABSTRACT
This research paper explores high school students‘ working pattern in an attempt to understand the most general features of the ―Modern Atomic Model‖. As sources of evidence, this research uses written work developed at different stages of the teaching and learning process and class records, since the oral interactions, although only partially, account for the type of conceptual thinking circulating in the classroom. Furthermore, all actions which come along with the oral text are also considered: dialogue among peers, untimely answers, gestures, silences —that is, all the constituent elements of the communicative act.
The learning proposal was applied to first-grade Physics of the senior high school, which was oriented towards specialization in Humanities and Social Sciences, with 4 teaching hours per week, and an attendance of a mixed group of 38 students. It was developed around two fundamental axes: modeling and representation. They both were selected in line with the type of content to be addressed, as the aid of sensory perception was not available.
The research process, which takes the oral and written communication as a unit of analysis, is crossed by a qualitative, intrinsically interpretive and enriched character, within the context of the contemporary epistemologies: pragmatism, dialectics and genetics.
Throughout this process, the characteristics of a model proposed as a teaching analysis tool —so called ―Interpretive Model for Analyzing the Teaching of Complex Topics‖— were outlined. Such model was later used, in an introductory overview, for analysis purposes in this research. Another notion that emerged from the analysis of the students‘ output and speech is that of the ―marking concepts‖ —which are retrieved by students because they regard these concepts as having such meaningfulness that enables them to get deep into a new field of knowledge. In this case, the concepts in question were photon, energy and state. As stated in the ―Interpretive Model for Analyzing the Teaching of Complex Topics‖, such concepts were analyzed in the light of the Conceptual Field Theory, primarily within the framework of the scheme concept and endorsing the idea that the concepts-in-action and theorems-in-action are devices that articulate thinking and action.
From the research point of view, the placement of beacons which enlightens the learning and teaching field —as long as the theoretical framework is relevant— is clearly feasible, as well as the further contribution to the foundations of scientific investigation, which is a growing, intrinsically interdisciplinary area.
From the didactic perspective, it seems to us that the concepts of photon, probability and state can be approached quite reliably within the framework of one of the most productive scientific models, such as the Modern Atomic Model. An additional contribution is the application of a recurrent pattern that is present in several areas of people‘s lives, which consists in ―creating small pieces of work using a few fragments‖, considering the short timeframes imposed on educational institutions, which often prevent teachers from adopting a long-time perspective.
16
RÉSUMÉ
Dans ce travail de recherche on fait une exploration au sujet des actions des étudiants de l‘école moyenne pour arriver à comprendre les grands traits du « Modèle atomique actuel ». La recherche est faite en employant comme source d‘indices, les travaux écrits développés sur des différents instances du procès d‘enseignement et apprentissage et le registres obtenus à partir des classes où les interactions orales font savoir, même en forme partielle, du type de pensée conceptuelle que circule dans la salle de classe. En plus, on prend en compte pour l‘étude, toutes les actions (attitudes) accompagnent le texte oral, les dialogues entre pairs, les réponses intempestives, les gestes, les silences, c'est-à-dire tout ce qui fait partie de l‘acte de communication.
La proposition didactique a été développé dans la matière Physique de la première année du cycle supérieur de l‘école secondaire à orientation en Sciences Humaines et Sociales avec un crédit horaire de quatre heures par semaine où il assistait un groupe mixte de 38 (trente huit) étudiants.
On a élaboré autour de deux axes conceptuels fondamentaux : modèle et représentation. Ce choix est réalisé de conformité avec le type de contenus à aborder où l‘on ne peut pas compter sur l‘assistance de la perception sensorielle.
Le processus de recherche que prend comme unité d‘analyse la communication oral et écrite est traversé par le caractère qualificatif intrinsèquement interprétatif, enrichie et encadré dans les épistémologies contemporaines : pragmatisme, dialectique, génétique. Durant ce procès se sont définis les caractéristiques d‘un modèle qui se propose comme outil d‘analyse de classes que l‘ on appelle ‗Modèle interprétatif d‘analyse des classes d‘enseignement de thèmes complexes‘. Et qu‘après, dans une présentation préliminaire, est utilisé pour l‘analyse de cette même étude. Un autre concept, né à partir de l‘analyse des productions et du langage des étudiants est celui du ‗concept marqueur‘ ou des concepts récupérés par les élèves puisque pour eux, ils portent une signification qui leur permet de commencer à se plonger dans un nouveau champ de connaissances. Dans ce cas-là, ce sont les concepts de : photon, énergie et état. Tel qu‘il s‘énonce dans le ‗Modèle interprétatif d‘analyse des classes d‘enseignement de thèmes complexes‘ ils ont été analysés à la lumière de la Théorie des champs conceptuels principalement dans le cadre du concept de schéma soulignant l‘idée dont les concepts-en – action et les théorèmes-en action sont des dispositifs articulateurs entre la pensée et l‘action. Du point de vue de la recherche, il est clair qu‘il est possible de construire des balises dans le champ de l‘apprentissage et l‘enseignement quand le cadre théorique soit pertinent et qu‘il contribue avec les fondements de la recherche en éducation en sciences, dans le domaine en expansion intrinsèque interdisciplinaire.
Du point de vue de la Didactique il nous semble possible aborder avec suffisamment de fidélité les concepts de photon, probabilité et état dans le cadre d‘un des modèles plus productif des sciences tel que le modèle atomique actuel. En plus on contribue avec la trace d‘un schéma qui s‘est répandue dans de divers domaines de la vie des personnes comme celui de « construire des petites œuvres avec peu de fragments », étant donné les urgences temporelles imposées dans les institutions scolaires et que fréquemment empêchent aux professeurs d‘assumer une perspective à long terme.
17
EL OBJETIVISMO PURO LLEVA A ARQUETIPOS GLACIALES
EL SUBJETIVISMO SIN TRABAS ATRAE EL SIMULACRO Y EL FRAUDE
18
Capítulo 1
PRESENTACIÓN
En este capítulo se realiza una introducción al tema acerca del cual trata esta investigación. Se expone una síntesis de los contenidos propuestos por el Consejo Federal de Educación para las áreas de Ciencias Naturales y de Matemática vinculados con la enseñanza y el aprendizaje de conceptos básicos de Física Cuántica correspondientes a los dos ciclos de escuela secundaria, en tanto se relacionan con el modelo atómico actual. Además se presenta una breve referencia de datos que tienen que ver con la inserción de las asignaturas Física y Química en el Ciclo Orientado de escuela secundaria desde el punto de vista institucional, con el fin de fundamentar el campo de aplicación de la propuesta didáctica. Se formula la hipótesis, el propósito general y los objetivos específicos de la tesis; finalmente se despliega un esquema que muestra los contenidos hacia los que se dirige la propuesta para el contexto de trabajo elegido.
1.1-
Introducción
La enseñanza en la escuela secundaria de conceptos básicos de Física Cuántica se presenta como una de las temáticas de mayor complejidad a ser abordada por los diversos colectivos implicados: desde profesores, junto con especialistas del área de las ciencias naturales y profesionales cuyo desempeño toca las fronteras de la Física actual, hasta diseñadores curriculares, psicólogos y psicopedagogos interesados en el aprendizaje de este tipo de contenidos, particularmente distanciados de la percepción sensorial.
Las múltiples ramificaciones de los principios de la Física Cuántica que se han generado a partir de los desarrollos matemáticos, tecnológicos, y de otras ciencias, se han extendido de tal manera que hoy se puede decir que esta disciplina científica ya forma parte del cotidiano vivir de gran parte de la humanidad: el papel de la superposición de estados en fenómenos vinculados a la fotosíntesis de ciertas especies vegetales marinas; también en la orientación espacial de grupos de aves migratorias y ciertas especies de batracios; el rol en los desarrollos tecnológicos más avanzados, entre otros.
Es por ello que, en forma previsible, se han multiplicado en cantidad y calidad los modos de justificar la inserción de estos contenidos, que forman parte de la Física Moderna, en los diseños curriculares de escuela secundaria. Ya sea en numerosas publicaciones del área de Educación en Ciencias (Krey y Moreira, 2008, Baily et al, 2012,Singh y Zhu, 2012, Neves et al, 2013 ), trabajos de investigación en formato de Tesis de posgrado (Greca, 2000, Fanaro, 2009), como también de Ciencias de la Educación. En este sentido cabe destacar el importante papel que le atribuye Tedesco (2006) a la enseñanza de las ciencias cuando define líneas prioritarias de acción para la educación del siglo XXI.
19
que deberá tomar la sociedad para definir el ritmo y las finalidades de los cambios”. (Tedesco, 2006:3)
Además se registra un importante aporte desde la divulgación científica a través de publicaciones periódicas: Scientific American – con la versión en español: Investigación y Ciencia-, Discover (revista española), cnrs le journal (revista francesa), etc., ediciones de libros: Colección Grandes Pensadores (2008). Planeta D‘Agostini, Grandes Ideas de la Ciencia (2014) Ediciones RBA, (anexo 1), y la proyección de videos con contenidos científicos en programas de diferentes canales de televisión en los que se reproducen con bastante frecuencia.
Esta situación en la que se ha consolidado con fundamentos categóricos la necesidad de incorporar contenidos de ciencia contemporánea, nos permite dirigir la mirada desde otro lugar, con una visión que no solo registre el libreto conceptual que se desarrolla en el aula, sino que sea capaz de reconocer la complejidad de las interacciones comunicativas que hay en ella para pensar posibles hipótesis acerca de las maneras en que se va construyendo el conocimiento. Sobre todo en este caso particular centrado en la enseñanza y el aprendizaje del modelo atómico actual, en el que se entraman conceptos y competencias puestas en juego a partir de diferentes parcelas de conocimiento.
Cuando se habla de parcelas de conocimiento se hace referencia en primer lugar a los contenidos que, por su densa carga conceptual, constituyen la esencia de la Física Cuántica: estado, vector de estado, ecuación de estado, superposición de estados, incertidumbre, probabilidad, observables, átomo, partículas sub-atómicas; en segundo lugar a los contenidos de la Química, estrechamente vinculados con este tema: propiedades de los elementos, reacciones químicas, materiales etc.; y, en tercer lugar a los contenidos de la Matemática, que en este caso se encuentran en una simbiosis prácticamente total con los conceptos físicos, dado que es justamente la Mecánica Cuántica la que otorga ese carácter formal a la ciencia, tan apreciado por los científicos debido a su notable poder predictivo. A saber, conceptos como los de campo vectorial, ecuación diferencial, variable, operador, mecánica matricial, entre otros.
En este trabajo se presenta la posibilidad de emplear como una de las vías de acceso a la conceptualización de la Física Cuántica, la enseñanza de algunas nociones básicas que se precisan para otorgar significado al modelo atómico actual. En el fondo, y en un sentido amplio, lo que se propone es asumir que la enseñanza y el aprendizaje de la Física Moderna se trata de una empresa que por sus características intrínsecas es multidisciplinar y novedosa, aunque no exenta de dificultades. Y que una de las posibilidades es ir acercando herramientas desde los diversos campos disciplinares, a favor de un mejoramiento en la calidad de los procesos didácticos y que, a la vez, influya en forma generalizada en aquellas áreas del saber mencionadas.
1.2-
Contenidos de Ciencias Naturales y de Matemática vinculados
con la introducción a la Física Moderna
20 La descripción que se realiza apunta únicamente a los contenidos y espacios curriculares que tienen o podrían tener vinculación directa con la enseñanza de la Física Cuántica en general y con el modelo atómico en particular. Además se recuerda que la estructura de la escuela secundaria tiene dos ciclos: básico de tres años y de formación orientada, también de tres años.1
______________________________________________________________________
1.2.1- CICLO BÁSICO
Ciencias Naturales.
Para Ciencias Naturales se consignan solo los contenidos de los tres cursos de ciclo básico para los ejes en relación a: Los materiales y sus cambios y Los fenómenos del mundo físico. También se aplica el criterio de selección basado en la vinculación con el modelo atómico actual.
Cuadro 1.1. Contenidos de Ciencias Naturales relacionados en forma directa o indirecta con el Modelo Atómico Actual.
Curso
Eje: en relación con los materiales y
sus cambios
Eje: en relación con los fenómenos
del mundo físico.
1º La utilización del modelo cinético corpuscular para explicar algunas características de los estados de agregación.
El reconocimiento de algunas
propiedades de los materiales presentes en los alimentos y de otros de uso masivo y/o aplicación tecnológica.
El empleo del concepto de energía para la interpretación de una gran variedad de procesos asociados a fenómenos físicos, por ejemplo, el uso del intercambio entre energías cinética y potencial para
interpretar los cambios asociados a procesos mecánicos.
La aproximación a las nociones de transformación y conservación de la energía.
La interpretación del trabajo y del calor como variación de la energía,
enfatizando algunos procesos de transferencia y disipación. 2º La utilización del modelo cinético
corpuscular para explicar los cambios de estados de agregación y el proceso de disolución.
La introducción a la noción de campo de fuerzas como una zona del espacio donde se manifiestan interacciones de diferente naturaleza, utilizando ejemplos
1
21 El acercamiento a la teoría
atómico-molecular y el reconocimiento de los constituyentes submicroscópicos de la materia tales como moléculas, átomos y iones.
La utilización de propiedades comunes para el reconocimiento de familias de materiales, como por ejemplo
materiales metálicos, plásticos, combustibles.
gravitatorios, eléctricos y magnéticos. El reconocimiento de que a los campos gravitatorio y eléctrico se les puede asociar una energía potencial. El análisis de experiencias donde aparecen interrelaciones eléctricas y magnéticas, por ejemplo con un electroimán.
Introducción a la descripción corpuscular de la materia para interpretar variables macroscópicas como volumen, presión y temperatura, en términos de la energía que interviene en los procesos
submicroscópicos. 3º La utilización de la teoría
atómico-molecular para explicar la ley de conservación de la masa y los cambios químicos entendidos como un
reordenamiento de partículas, comenzando a hacer uso del lenguaje simbólico para representarlos mediante ecuaciones.
La aproximación al concepto de reacción nuclear usando el modelo actual
simplificado (núcleo y nube electrónica).
La comprensión de que los fenómenos físicos pueden ser modelizados y descriptos a través de expresiones matemáticas.
La utilización de las leyes de Newton como marco explicativo para algunos fenómenos físicos.
La interpretación de la radiación como otra forma de intercambio de energía, junto al trabajo y al calor.
La aproximación a la idea de la luz como fenómeno ondulatorio y la contrastación histórica entre los modelos corpuscular y ondulatorio de la luz.
La caracterización cualitativa del espectro de radiación electromagnética (regiones ultravioleta, infrarroja, etc.)
1.2.2- CICLO ORIENTADO
22
Física
Se presenta una síntesis de los cuatro ejes conceptuales que propone la Resolución Ministerial: Energía. Fuentes actuales y futuras. Renovables y no renovables. Generación, transporte, almacenamiento, transformación, conservación y degradación. Preservación y consumo.
Comprensión de fenómenos naturales a partir del análisis y utilización de modelos físicos: partícula, onda y campo.
El conocimiento de nociones básicas de teorías como la Mecánica Cuántica o la Relatividad. Análisis de procesos físicos sobre los que se basan diferentes dispositivos tecnológicos.
Contextualización e historicidad de la Física. Vínculos con otros campos de conocimiento.
Química
Se proponen dos ejes conceptuales:
En relación con las propiedades, estructura y usos de los materiales: La explicación y predicción de propiedades de sustancias y materiales de interés en la vida diaria y/o de relevancia científico-tecnológica (…) utilizando los diferentes niveles de descripción de la materia – macro, micro y sub-microscópico – y modelos científicos escolares (…).
En relación con las transformaciones químicas de los materiales: La interpretación de algunos fenómenos vinculados a reacciones químicas involucradas en diferentes procesos (…), haciendo uso de actividades experimentales, de diferentes lenguajes, representaciones – icónicas, simbólicas, macro, micro y sub-microscópicas – y modelos explicativos de la ciencia escolar (…).
_______________________________________________________________________
Podemos apreciar en la síntesis de contenidos de Ciencias Naturales para los dos ciclos, que se apunta a generar una base de fundamentos de Física y de Química lo suficientemente sólida como para permitir que toda persona que egrese de la escuela secundaria tenga la posibilidad de acceder, aunque sea en forma incipiente, a los conocimientos más básicos de la ciencia contemporánea.
______________________________________________________________________
1.2.3- CICLO BÁSICO
Matemática
23
En relación con el número y las operaciones:
El reconocimiento y uso de números racionales y de las operaciones y sus propiedades en situaciones problemáticas que requieran:
Usar y analizar estrategias de cálculo con números racionales (Q), seleccionando el tipo de cálculo y la forma de expresar los números involucrados, evaluando la razonabilidad del resultado e incluyendo su encuadramiento.
Analizar las operaciones en Q y sus propiedades como extensión de las elaboradas para los números enteros.
Reconocer la insuficiencia de los números racionales para expresar la relación entre la longitud de la circunferencia y su diámetro y entre los lados de un triángulo rectángulo.
Explorar y enunciar las propiedades de los distintos conjuntos numéricos (discretitud, densidad y aproximación a la idea de completitud), estableciendo relaciones de inclusión entre ellos.
Producir argumentos que permitan validar propiedades ligadas a la divisibilidad en N.
En relación con el álgebra y las funciones.
El reconocimiento, uso y análisis de funciones en situaciones problemáticas que requieran:
Interpretar gráficos y fórmulas que modelicen variaciones lineales y no lineales (incluyendo la función cuadrática) en función de la situación.
Modelizar y analizar variaciones lineales expresadas mediante gráficos y/o fórmulas, interpretando sus parámetros (la pendiente como cociente de incrementos y las intersecciones con los ejes).
Determinar la ecuación de una recta a partir de diferentes datos
Vincular las relaciones entre rectas con las variaciones de sus parámetros.
El uso de ecuaciones y otras expresiones algebraicas en situaciones problemáticas que requieran:
Argumentar sobre la validez de afirmaciones que incluyan expresiones algebraicas, analizando la estructura de la expresión.
Transformar expresiones algebraicas usando diferentes propiedades al resolver ecuaciones de primer grado.
En relación con la probabilidad y la estadística
La interpretación y elaboración de información estadística en situaciones problemáticas que requieran:
24 Identificar variables (cualitativas y cuantitativas, discretas y continuas), organizar los datos para su agrupamiento en intervalos y construir gráficos adecuados a la información a describir.
Interpretar el significado de los parámetros centrales (media, mediana y modo) y analizar sus límites para describir la situación en estudio y para la elaboración de inferencias y argumentos para la toma de decisiones.
El reconocimiento y uso de la probabilidad como un modo de cuantificar la incertidumbre en situaciones problemáticas que requieran:
Explorar, producir y utilizar fórmulas sencillas de combinatoria para calcular probabilidades.
Evaluar la razonabilidad de una inferencia elaborada considerando datos estadísticos obtenidos a partir de una muestra.
1.2.4- CICLO ORIENTADO
Matemática
Durante el Ciclo Orientado de la Educación Secundaria, la escuela ofrecerá situaciones de enseñanza que promuevan en las y los estudiantes:
(…)
La comprensión de que los objetos matemáticos no son objetos físicos sino objetos conceptualizados a partir de una práctica matemática, que no se accede a ellos en forma directa sino a través de sus representaciones, y que es necesario establecer diferencias y relaciones entre los objetos y dichas representaciones.
(…)
La comprensión de que la mayoría de las nociones matemáticas pueden abordarse desde diferentes marcos (algebraico, geométrico, numérico, probabilístico), y de la potencia que ofrece cambiar de un marco a otro en la resolución de un problema, como en el control de procedimientos y resultados.
El reconocimiento de que la modelización constituye un aspecto esencial de la práctica matemática, y que supone identificar las variables relevantes y las variables sobre las que se va a operar, las representaciones que se van a utilizar, las propiedades que permiten justificar los procedimientos puestos en juego, el análisis de la pertinencia del modelo y la reinterpretación de los resultados a la luz del problema planteado inicialmente.
25
Eje: en relación con el número y el álgebra
La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas asociadas al conteo, lo que supone: identificar las relaciones multiplicativas; generalizar los procedimientos utilizados; elaborar las fórmulas vinculadas a dichos procedimientos, si la resolución lo requiere.
(…)
La elaboración de criterios que permitan encuadrar números racionales, utilizando la recta numérica y apelando a recursos tecnológicos para arribar a la identificación de la propiedad de densidad.
(…)
El análisis de situaciones que involucren la conmensurabilidad de segmentos y la interpretación de la existencia de segmentos inconmensurables, diferenciando entre la medida como acto empírico y la noción matemática de medida.
(…)
La modelización de situaciones que involucren el uso de números reales mediante recursos tecnológicos y de cálculo mental (…)
La representación de números reales de diferentes maneras, la argumentación sobre las relaciones entre las mismas, y la elección de la representación más adecuada en función de la situación planteada.
Eje: en relación con las funciones y el álgebra
La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas mediante funciones lineales y cuadráticas (…)
El análisis del comportamiento de las funciones lineales y cuadráticas (…)
La interpretación de diferentes escrituras de las fórmulas de las funciones cuadráticas y su transformación mediante las propiedades de las operaciones de los números reales (…).
La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas mediante sistemas de ecuaciones lineales y cuadráticas (…)
(…)
La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas mediante ecuaciones cuadráticas, lo que supone:
Apelar a las propiedades de las operaciones de números reales y a gráficos cartesianos realizados con recursos tecnológicos para su resolución.
Interpretar las soluciones en el contexto de la situación.
26 La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas mediante funciones polinómicas de grado no mayor que cuatro e incompletas, racionales de la forma f(x) = k/x con x distinto de cero y funciones exponenciales (…).
La comparación de los crecimientos lineales, cuadráticos y exponenciales en la modelización de diferentes situaciones.
(…)
La interpretación de las funciones seno, coseno y tangente expresadas mediante fórmulas y gráficos cartesianos, extendiendo las relaciones trigonométricas al marco funcional.
Eje: en relación con la geometría y la medida.
El análisis de las relaciones trigonométricas de cualquier tipo de ángulo, acudiendo a la circunferencia trigonométrica.
La modelización de situaciones extramatemáticas e intramatemáticas mediante las relaciones trigonométricas, involucrando triángulos diversos y recurriendo, cuando sea necesario, al teorema del seno y del coseno.
Eje: en relación con la geometría y el álgebra.
La determinación de relaciones entre coordenadas de puntos del plano cartesiano para resolver situaciones que requieran elaborar fórmulas.
(…)
Eje: en relación con las probabilidades y la estadística.
(…)
La identificación e interpretación de la o las medidas de posición (media aritmética, moda y cuartiles) que mejor describan la situación en estudio.
(…)
El análisis del comportamiento simultáneo de dos variables aleatorias en situaciones extramatemáticas, lo que supone:
Considerar gráficos de dispersión o nube de puntos.
Interpretar el significado de la recta de regresión (ajuste lineal y relación positiva y negativa) como modelo aproximativo del fenómeno en estudio.
27
1.3-
Comentarios acerca de los contenidos
De acuerdo con las expectativas que se plantean a nivel curricular, podemos decir que los estudiantes de escuela secundaria, a partir de la edad de 15 años, o lo que puede ser equivalente, a partir de tercer año, se encontrarían en condiciones académicas de involucrarse en un aprendizaje medianamente comprometido de conceptos de Física Cuántica, dado que ya habrían construido herramientas matemáticas adecuadas para apuntar a un inicio en la formalización. Esto no nos habilita, desde el punto de vista de la praxis, a trazar una línea e instalar un dispositivo de enseñanza basado solo en supuestos teóricos que, aunque sean muy coherentes, al combinarse con contenidos complejos, requieren para su sustentabilidad, la puesta en marcha de articulaciones que enlacen adecuadamente los componentes didácticos propios de la escuela secundaria. Simplemente se trata de ir configurando los rasgos de un perfil deseable para el estudiante habitual, y así poder efectuar ejercicios de confrontación en el campo de trabajo que nos permitan elaborar con caracteres propios, representaciones más próximas a la realidad que habita nuestras aulas.
Para la propuesta didáctica a desarrollar (capítulo 5) se toman como condición limitante los contenidos mínimos propuestos por el Consejo Federal de Educación para las Ciencias Naturales a fin de dirigirla a una población estudiantil mayoritaria, comprendida en los requerimientos de una alfabetización científica.
De acuerdo con esa premisa, tomamos como parámetro la orientación de Humanidades y Ciencias Sociales. En ésta el crédito horario semanal asignado para el único año en que se dicta la asignatura Física es, en general de 4 horas, con escasas posibilidades de introducir con cierta profundidad algunas nociones de Física Moderna. Pero por otro lado, se abre una posibilidad si se trabaja en forma coordinada con el Ciclo Básico: en este último se podría desarrollar una introducción a los modelos históricos y en 4to (o 1er. año de Ciclo orientado) , se continuaría trazando los rasgos físicos básicos del modelo atómico actual en la asignatura Física, disponiendo de unas 16 horas netas para el desarrollo del mismo, en el que se contemplen conceptos tan importantes como: modelo, estado (con los alcances que sean posibles), cantidades discretas y continuas, energía, fotón, incertidumbre y comportamiento de los electrones como onda o como partícula; dejando para el espacio de Química las vinculaciones con los elementos, la tabla periódica, etc. Es de suponer que en la orientación de Ciencias Naturales se puede aplicar el mismo esquema, con la posibilidad de extenderlo, ya que se cuenta con mayor número de horas y de disciplinas afines.
1.4-
El problema
Como se puede advertir en esta introducción, las razones por las que no ha sido posible hasta el día de hoy sistematizar la enseñanza de la Física Cuántica en la escuela secundaria – además de las consignadas en bibliografía2 - tienen mucho que ver con la necesidad de conciliar un conjunto de contenidos provenientes de diferentes campos, algunos ya instalados en los diseños (energía, modelo), otros no (estado, fotón, dualidad onda-partícula) y con el desarrollo de capacidades más vinculadas a la posibilidad de mirar el mundo desde un lugar diferente con
2 Sinarcas y Solbes (2013) resaltan la importancia de los obstáculos ontológicos ,Fanaro, (2009) enuncia
28 respecto a la que posibilitan los sentidos. Cuestión difícil pero interesante desde el punto de vista psicológico y sobre el que es posible seguir trabajando.
Sintetizando:
El problema que orienta esta tesis es la búsqueda de marcas que se alojan en los procesos de resolución de situaciones-problema y que otorgan pistas acerca de los caminos que siguen los estudiantes para abordarlas cuando se inician en el estudio de un nuevo campo de conocimiento. Ésto a partir de un enfoque del tema Modelo Atómico que contempla la introducción de algunos conceptos básicos de Física Cuántica, en un contexto escolar atravesado por los emergentes clásicos y también actuales de los adolescentes: rupturas generacionales, dispersión de intereses, crisis de comunicación, etc.
1.5-
La hipótesis
Para ello se plantea la siguiente hipótesis:
El aprendizaje de temas alejados de la percepción sensorial por parte de los estudiantes de escuela secundaria es un proceso continuo, apoyado en el lenguaje y en una enseñanza que toma como referencia modelos consensuados por la comunidad científica, y cuya sustentabilidad se puede afianzar mediante un uso racional de las tecnologías de la información y de la comunicación.
1.6-
Propósitos
El cuadro descripto es el resultado de la información aportada por: publicaciones del área de la Enseñanza de las Ciencias (particularmente de la Física y de la Química), trabajos de investigación de tesis de posgrado, documentos ministeriales, observaciones e intervenciones en aulas y también por registros apuntados en diferentes escuelas referidos a los planes de estudio de las distintas orientaciones.3
Teniendo en cuenta estos aportes, en esta tesis se plantea como propósito: Contribuir con la Didáctica de la Física:
En primer lugar a través del estudio de las acciones que ponen en juego los estudiantes para resolver situaciones propuestas en un tópico conceptual de elevado grado de abstracción tal como es el modelo atómico actual, y
En segundo lugar, proponiendo un modelo de exploración de aulas en el que se relevan tanto los aspectos objetivos como subjetivos de la construcción de conocimientos complejos de la Física contemporánea.
Para ello se plantean los siguientes objetivos específicos:
3
29 - Explorar a través de las respuestas escritas de los estudiantes cuáles son los recursos que emplean para representar y describir conceptos de un campo conceptual complejo tal como es el modelo atómico actual.
- Establecer vínculos entre las expresiones orales emitidas por los estudiantes durante las clases y los procesos de construcción de nociones de Física Cuántica.
- Indagar acerca del uso que hacen de los recursos tecnológicos en relación al aprendizaje de contenidos escolares.
Para concebir una idea aproximada de la dirección hacia la que apunta esta propuesta, se presentan a continuación y en forma sucinta los conceptos generales sobre modelo atómico, que forman parte de la identidad de la misma.
1.7-
Esquema de conceptos sobre modelo atómico actual.
MODELO ATÓMICO ACTUAL
NIVELES Y SUB-NIVELES CUANTIZADOS DE
ENERGÍA ORBITALES COMO
ZONAS DE MAYOR PROBABILIDAD
ELECTRÓNICA
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA CONDICIONADA POR
30
Capítulo 2
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1.- Introducción
La búsqueda específica de esta investigación, que se realizó sobre trabajos relacionados con la enseñanza de la Física Cuántica y del modelo atómico actual, en general es a partir del año 2009 en adelante; en algunos casos se tomó desde el 2006, cuando se trataba de publicaciones que se iniciaron ese año aproximadamente. Previamente se tomaron en cuenta dos revisiones que abarcan tres décadas (1980-2009) y cuyo contenido tiene relación directa con esta tesis.
Las publicaciones consultadas fueron: Revista Brasileira de Ensino de Ciencia y Tecnología, Revista Brasileira de Ensino de Física, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, Latin American Journal of Physic Education, Revista de Educación e Investigación en Educación en Ciencias, Experiências em Ensino de Ciências, Enseñanza de las Ciencias, Physics Education Research Conference, Revista Electrónica de Investigación Educativa, Electronic Journal of Science Education, International Journal of Science and Technology Education Research, Eurasian Journal of Physics and Chemistry Education, Science Education International, International Journal of Science Education, European Journal of Physics Education, Physics Education Research e Investigações em Ensino de Ciências.
En primer lugar, se consignan dos estudios (Greca, 2000 y Ferreira et al, 2011) donde se realizan revisiones de la literatura vinculada con enseñanza en Física Cuántica desde 1980 hasta 2000 y desde 1999 hasta 2009 respectivamente.
En segundo lugar se describen investigaciones y propuestas desarrolladas en el nivel secundario o universitario básico, clasificadas según los siguientes criterios:
La enseñanza de la Física Cuántica sin destacar el tema de modelo atómico.
La enseñanza de la Física Cuántica otorgando importancia al tema de modelo atómico. La enseñanza del modelo atómico actual.
En tercer lugar se realiza una síntesis de las conclusiones de dos tesis doctorales cuya temática central se encuentra fuertemente vinculada con esta investigación: Greca (2000) y Fanaro (2009)
Se han excluido de la presente revisión los informes referidos a desarrollos científicos básicos en los que no se incluye la perspectiva pedagógica o si lo hacen es a través de la mención de sugerencias de enseñanza carentes de fundamentos teóricos o que no se desprenden de estudios empíricos. Tampoco se han relevado trabajos de corte epistemológico e histórico.
2.2.- Revisiones bibliográficas previas
2.2.1- En el año 2000, Greca informa en su Tesis doctoral la revisión bibliográfica que realiza en trabajos en Física cuántica desde el año 1980 hasta el año 2000.
31 Mecánica Cuántica; artículos con críticas a los cursos introductorios de Mecánica Cuántica y artículos conteniendo propuestas de nuevas implementaciones didácticas.
2.2.1.1- Artículos sobre concepciones de los estudiantes respecto de los contenidos de Mecánica Cuántica
Cuadro 2.1
Autores y año de publicación
Nivel Metodología/ Contenidos
Conclusiones
Niedderer- 1987 Secundario Física atómica cuántica
Un número reducido de alumnos comprende el comportamiento de los electrones desde una
concepción ondulatoria formal. Niedderer, Bethge y
Cassens -1990
Secundario No se informa de manera específica.
Los alumnos:
Poseen una imagen concreta del átomo.
Tienden a usar:
. los conceptos clásicos de movimiento y de trayectoria. . los conceptos de conservación de la energía y de masa en sus explicaciones. La existencia de niveles discretos de energía no es explicada, es usada como base para otras explicaciones.
. el concepto de probabilidad para expresar que alguna cosa no se conoce exactamente.
Fischler y Lichfeldt - 1992
Secundario No se informa de manera específica.
Concepciones de los estudiantes: Los electrones se mueven alrededor del núcleo a alta velocidad en órbitas fijas. La fuerza centrífuga y la fuerza coulombiana están en equilibrio. (63%)
Utilizan sus concepciones sobre repulsión entre cargas para explicar la distancia entre protón y electrón. (23 %)
Los electrones se encuentran fijos o moviéndose en una corteza firme. (8 %)
Después de una intervención didáctica de cinco semanas surgió otra concepción:
32 espacio, los electrones aumentan su energía cinética. Para ellos tiene sentido hablar de electrones individuales. (68 %)
Pietri y Niedderer -1998
Secundario. Seguimiento de un alumno
Conceptos básicos de física cuántica. Modelo atómico cuántico.
A posteriori de las primeras clases, el alumno desarrolló un modelo atómico donde las órbitas estaban determinadas por los valores máximos de la función de densidad de probabilidad y que estas órbitas no eran exactas debido al Principio de Incerteza. Avanzando con las clases, el alumno pasó a hablar de ‗estado‘ del electrón y finalmente de nube electrónica.
En un test tomado a tres meses de la finalización del trabajo, el estudiante mostró que conservaba una visión determinista del mundo.
Mashhadi -1996 Secundario Modelo atómico Distinguen las siguientes imágenes sobre el átomo: Imagen mecanicista: Los electrones se mueven muy rápidamente, en órbitas definidas, resultantes del balance entre la velocidad de los electrones y la fuerza electrostática de atracción entre electrón y núcleo. (25 %) Imagen probabilista:Los estudiantes hablan de nubes de electrones pero continúan considerándolos como partículas. (25 %).
Imagen de movimiento aleatorio: Es una combinación de las imágenes anteriores. Los
electrones se mueven en regiones definidas o en diferentes órbitas energéticas. (23 %)
Imagen de ‗nube de carga‘. Los electrones no ocupan una posición definida, sino que se distribuyen alrededor de su órbita. (10 %) Un porcentaje muy pequeño de los alumnos considera que la
visualización no es posible. (4 %) Gil y Solbes -1993 Secundario Diferencias entre los
paradigmas de la
33 Física clásica y la
Física Moderna
desarrollo de la Física clásica. (85-93 %)
Los alumnos presentan serias dificultades para la comprensión de temas fundamentales, como la dualidad onda-partícula, pues no llegan a entender que se
encuentran en un marco conceptual diferente. Johnston, Crawford y
Fletcher -1998
Universidad. Estudiantes de Física
Cuestionarios a dos grupos con
intervenciones didácticas diferentes: un enfoque ‗formal‘ y otro experimental, sobre:
Dualidad onda-partícula;
concepciones sobre onda y partícula y diferencia entre incerteza e indeterminación.
El análisis fenomenográfico mostró que:
Las respuestas sobre partículas y sobre ondas pueden ser agrupadas en tres niveles jerárquicos: Sobre partícula.
La partícula está hecha de materia (4 %)
La partícula está hecha de materia y recorre trayectorias definidas (63 %)
Las partículas, además de tener las propiedades anteriores, responde a fuerzas. (33 %).
Sobre ondas.
Las ondas poseen propiedades simples.
Las ondas difractan e interfieren. Las ondas, además de las
propiedades anteriores, transfieren energía.
Sobre la diferencia entre incerteza e indeterminación no pudieron establecer categorías debido a lo fragmentario de las respuestas. Emplean el lenguaje de la Física cuántica sin tener en cuenta la vinculación con las preguntas, concluyendo que su aprendizaje es superficial. Sus deducciones son aisladas.
Fletcher y Johnston -1999
Universitario Toma de cuestionarios sobre: efecto
fotoeléctrico,
Principio de Incerteza, naturaleza de las ondas y naturaleza de los niveles de energía.
Para el análisis se empleó el método fenomenográfico. Encontraron que los estudiantes tienen serias dificultades para asociar los nuevos conceptos con experiencias cotidianas,
34 reconocen como un nuevo
concepto, sino que lo interpretan a partir de sus conocimientos anteriores, transfiriéndolo al mundo microscópico.
Lo mismo se observó con el tema de niveles de energía.
Bao, Jolly y Redish -1996
Universitario Ingeniería. Curso introductorio.
Toma de pre y post test con respecto a actividades de laboratorio y grupales. Entrevistas
individuales en las que los estudiantes debían resolver problemas oralmente. Diagramas de potencial. Funciones de onda simétricas y anti-simétricas.
El pre test mostró dificultades en la conceptualización de
‗probabilidad‘ y en la
interpretación de diagramas de energía potencial.
El post test arrojó los siguientes resultados:
Respuesta correcta: menos de 2 % No responden: 40 %
Usó los niveles de energía para describir la posición del electrón: 36 %.
Respuestas no relacionadas con las preguntas: 22 %
Aparentemente los estudiantes tienden a interpretar los pozos de potencial en una dimensión como pozos gravitacionales
bidimensionales.
Posteriormente se realizó una intervención didáctica con materiales especialmente
preparados y se volvió a aplicar el post test. Los resultados mejoraron notablemente. Las respuestas correctas aumentaron al 81 %. Sin embargo continuaban las
dificultades para explicar los fundamentos de las respuestas. Styer -1996 Estudiantes.
Profesores. Textos Listado de concepciones erradas. Estados cuánticos. Densidad de probabilidad Función de onda. Momento angular.
Estudiantes, profesores y textos coinciden frecuentemente en una serie de errores:
35 Que la función de onda describe un único sistema (promedio) sobre cierto intervalo de tiempo. Que el colapso del paquete de onda permite la comunicación ultraluminar.
Que si un sistema tiene un momento angular definido, por ejemplo en la dirección z, los momentos angulares en otras direcciones perpendiculares también tienen un valor definido. Y otros.
Aubrecht, Kassebaum, May y Stith - 1999
Físicos Profesores de enseñanza media Estudiantes de pos-grado Estudiantes de grado. Estudiantes de enseñanza media Detección de preconcepciones acerca de : Cuantización. Fotón.
Aplicación de un test de cuatro ítems de selección múltiple.
Concepciones detectadas: Fotones y luz son la misma cosa. La luz está hecha de fotones, o los fotones son los únicos
componentes de la luz. Junto con esta concepción aparecen las ideas de que la luz está hecha de un número grande de fotones que dejan la fuente luminosa simultáneamente y que ver los fotones es lo que hace ver la luz. Los fotones están hechos de luz, de partículas de luz o pueden cargar luz.
La luz produce los fotones. Los fotones producen o emiten la luz, o alguna cosa que puede ser vista.
Ambrose, Schaffer, Steimberg y Mc Dermott -1999
Universitario Óptica física. Entrevistas en las que se solicitaba a los estudiantes que justifiquen sus predicciones sobre experiencias en que un rayo de luz incidía en una pantalla con una o dos ranuras.
Concepciones detectadas sobre fotón:
Se mueven en líneas rectas que se curvan cerca de las ranuras. Se mueven a lo largo de caminos senoidales.
Dos o más fotones son necesarios para observar padrones de interferencia, o sea, luz de intensidad muy baja no producirá ese padrón, aunque incida durante un periodo prolongado de tiempo. A partir de estas entrevistas se elaboró un cuestionario, aplicado a los electrones.
36 inherente a cada electrón, sino que varía con su velocidad.
40 % de los estudiantes considera que los efectos de difracción e interferencia son independientes de la velocidad.
20 % de los estudiantes aplicó fórmulas válidas para la longitud de onda de la luz, para la longitud de onda de de Broglie de los electrones, aparentemente mostrando que la falta de comprensión de las propiedades ondulatorias de la materia lleva a una simple memorización de fórmulas sin conexión.
En este punto Greca apunta una reflexión acerca de este tipo de investigaciones, en la que resalta el carácter incipiente de las mismas en relación a la cantidad de tópicos abordados y a las metodologías empleadas. Sin embargo, ya avizora que la complejidad de este campo disciplinar limita notablemente su tratamiento sin una previa revista a las áreas psicopedagógicas (y otras) que puedan asistir a los enseñantes, fundamentalmente si se trata de estudiantes de escuela secundaria.
Con respecto a los trabajos que abordan puntualmente el modelo atómico actual (Niedderer et al, 1990, Fishler y Lichfeldt, 1992, Mashhadi, 1996, Niedderer, 1997, Pietri y Niedderer, 1998), se advierte que hay coincidencias en el afianzamiento de imágenes concretas de partículas independientes dentro de los átomos (electrones), existencia de trayectorias y movimientos que replican las concepciones del mundo macroscópico y equilibrio (electrón – protón) basado en el equilibrio electrostático conocido, entre otras; donde ya se insinúa una tendencia que marca el penetrante predominio del pensamiento concreto sobre el pensamiento formal no solo con estudiantes secundarios, sino también con graduados (Johnston et al, 1998, Fletcher y Johnston -1999).
2.2.1.2- Críticas a los cursos introductorios de Mecánica Cuántica
Cuadro 2.2
Autores y año de publicación
Naturaleza de las críticas
Redish y Steimberg - 1998
Consideran que el problema mayor de los cursos introductorios, para los estudiantes de carreras científicas, es el enfoque axiomático dado a los mismos. Este enfoque oscurecería la importancia que tiene la Mecánica Cuántica para el mundo real, haciendo que los estudiantes de estas carreras consideren el asunto como solo de interés para los físicos teóricos, e impidiendo que profundicen en la descripción del mundo microscópico.
37 Story -1998 Considera que el abordaje formal posibilita a los estudiantes aplicar
rápidamente la Mecánica Cuántica, creando una barrera para la comprensión, pues muchos de los conceptos fundamentales aparecen mágicamente.
Rüdinger -1976 Critica el intento de conectar los conceptos de Mecánica Cuántica con conceptos de la Física Clásica. Como es por ejemplo la introducción de la ecuación de Schrödinger haciendo una analogía con las ondas mecánicas en cuerdas vibrantes.
García Castañeda -1985 Señala como contraproducente utilizar exclusivamente las características ondulatorias para describir las propiedades de los sistemas cuánticos. Nussenzveig -1998 Destaca que, procurar la comprensión de los principios cuánticos
desarrollando la mecánica ondulatoria, crea la ilusión de que es suficiente extender un poco las ideas sobre ondas clásicas.
Fischler y Lichtfeldt -1992
Argumentan que muchos de estos cursos dedican una buena parte del tiempo a presentar la antigua Mecánica Cuántica, en particular el modelo atómico de Bohr. De manera que se sobredimensiona la Física Clásica. Jones -1991 Explica que los estudiantes no migran de la Física Clásica a la Cuántica,
sino que se los obliga a aprender un híbrido compuesto básicamente por ideas e imágenes desarrolladas en el periodo 1900 – 1920, que produce modelos conceptuales incorrectos, retardando la comprensión y el interés. No acuerda con un enfoque histórico y sí apoya un enfoque lógico. Strnad- 1986 Considera que la mayoría de los libros de texto introductorios contienen
información sobre los fotones que si no son falsas, por lo menos pueden inducir a error. Según él, el concepto de fotón debe ser introducido como quantum de energía, evitando la analogía con el electrón.
Kragh -1992 Realiza un estudio en profundidad acerca de la introducción a la Mecánica Cuántica desde una perspectiva histórica. Presenta argumentos a favor y en contra. Sin embargo considera importante la introducción de
contenidos históricos en enseñanza de las ciencias siempre que se realice una cuidadosa selección de algunos casos con un tratamiento
contextualizado muy adecuado, procurando evitar una visión única. Merzbacher -1990 Cuestiona el hecho de que los contenidos de Física Cuántica aparezcan al
final de los cursos introductorios, cuando para los estudiantes de carreras científicas, la gramática elemental es el vocabulario de la Mecánica Cuántica.
Bastos Filho -1994 Considera que la enseñanza se ocupa de una sola versión, a la que llama ―oficial‖, sin promover una discusión conceptual, llevando a los estudiantes a creer que se trata de cuestiones imposibles de comprender, milagrosas y misteriosas.
Silveira -1992 Considera que la enseñanza de la Mecánica Cuántica tanto en el nivel de grado como de posgrado es formalista, no conceptual, concurrente con una versión ortodoxa, donde lo importante es el dominio de la Matemática sin preocuparse del significado conceptual.
Este grupo de trabajos contribuye a consolidar el propósito de generar un espacio de discusión más visible y persistente respecto de los aspectos conceptuales de la Física Cuántica.
2.2.1.3- Propuestas didácticas
