ELABORACIÓN DE MATERIAL DIDÁCTICO PARA LA ENSEÑANZA DE LA TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD EN EL NIVEL MEDIO/POLIMODAL
Irene Arriassecq
Departamento de Formación Docente Facultad de Ciencias Exactas NIECyT Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires
irenearr@exa.unicen.edu.ar
Ileana Greca
In-Praxis Burgos, España
ilegreca@hotmail.com
Didáctica de las Ciencias de la Naturaleza
Resumen
A partir de un análisis crítico de los elementos que deberían ser tomados en consideración en los libros de texto para presentar la Teoría Especial de la Relatividad (TER) en el nivel medio/polimodal desde una perspectiva histórica y epistemológicamente contextualizada y de los resultados obtenidos en una investigación centrada en los libros de texto más utilizados en la Argentina para la enseñanza de la Física – donde básicamente se encontró que los textos analizados no incorporan los diferentes resultados de la investigación en enseñanza de las ciencias, ni las discusiones históricas y epistemológicas sobre el tema – diseñamos, implementamos y evaluamos una propuesta didáctica para la enseñanza de dicha teoría.
Una parte importante del diseño de la propuesta didáctica – sustentada en un marco de referencia que integra aspectos epistemológicos, psicológicos y didácticos – consistió en la elaboración de un material escrito (con formato de libro de texto) para ser utilizado por docentes y alumnos que contemplara las carencias – entendidas como tales desde la perspectiva de nuestro marco teórico – encontradas en los libros de texto usuales. Dicho material incluye, fundamentalmente, el desarrollo de tópicos específicos de la TER, selección de artículos originales para su lectura y discusión crítica, como así también la propuesta de diversos tipos de actividades (resolución de problemas, ejercicios, etc.; incluso algunas no convencionales como la elaboración de cuentos e historietas)
En este trabajo se analizan las características principales del material elaborado y los resultados obtenidos con su implementación.
Introducción
Actualmente existe consenso internacional en diversos contextos – comunidades de
investigadores en Enseñanza de la Física, Físicos, diseñadores de currículos en los ministerios
de educación, etc. – respecto de la necesidad de ofrecer a los estudiantes la oportunidad de
(Gil and Solves, 1993; Holcomb, 1997; Moreira, 2000; Arriassecq & Greca, 2007, Arriassecq,
2008).
Las reformas introducidas por varios países en los currículos de ciencias para el nivel medio
en la última década han contemplado, al menos en el ámbito de los ministerios, una
actualización de los mismos, introduciendo en el caso de la Física temas que se encuadran en
las denominadas Física Moderna y Física Contemporánea. En este trabajo nos ocupamos
particularmente de la Teoría Especial de la Relatividad (TER), analizando qué ocurre con los
materiales de apoyo con los que cuenta el docente – fundamentalmente los libros de texto
escolares – que debe enfrentarse con la tarea de abordar el tema, en muchas ocasiones por
primera vez en su trayectoria profesional.
El libro de texto – fundamentalmente los de nivel polimodal – parece ser el principal recurso
utilizado para la preparación de clases en Argentina (Arriassecq y Greca, 2003) y también en
otros países, como por ejemplo España (Pérez y Solbes, 2003) y son también esos mismos
textos los recomendados a los alumnos. Es significativo que los docentes manifiesten utilizar
para la preparación de sus clases libros del mismo nivel en el que se desempeñan; no
parecería estar instalada la práctica de consultar textos de un nivel superior al que se debe
abordar. Este punto es importante ya que si los docentes en su formación de grado no han
tenido oportunidad de analizar en profundidad conceptos de la TER difícilmente puedan
aprenderlos en los libros que manifiestan consultar, dado que estos abordan este tema de
forma muy superficial.
Partiendo de esta realidad, se considera que la elaboración de material didáctico, que podrían
utilizar tanto docentes como alumnos, sería una contribución para el abordaje de la TER en el
ciclo medio/polimodal de enseñanza. Este material debería presentar una discusión profunda
de los aspectos conceptuales relevantes de la TER a partir de los aportes de investigaciones en
el área de Enseñanza de la Física. De esta forma se podría cubrir la brecha entre la intención
de abordar un tema nuevo y contar con los recursos necesarios para hacerlo.
A partir de un análisis crítico de los elementos que deberían ser tomados en consideración en
los libros de texto para presentar la TER en el nivel medio/polimodal desde una perspectiva
histórica y epistemológicamente contextualizada y de los resultados obtenidos en una
de la Física – donde básicamente se encontró que los textos analizados no incorporan los
diferentes resultados de la investigación en enseñanza de las ciencias, ni las discusiones
históricas y epistemológicas sobre el tema – se diseñó, implementó y evaluó una propuesta
didáctica para la enseñanza de dicha teoría en el contexto una investigación más amplia donde
se analizaron las dificultades para aprender la TER en el nivel medio /polimodal.
Una parte importante del diseño de la propuesta didáctica – sustentada en un marco de
referencia que integra aspectos epistemológicos, psicológicos y didácticos – consistió en la
elaboración de un material escrito (con formato de libro de texto) para ser utilizado por
docentes y alumnos que contemplara las carencias – entendidas como tales desde la
perspectiva de nuestro marco teórico – encontradas en los libros de texto usuales. Dicho
material incluye, fundamentalmente, el desarrollo de tópicos específicos de la TER, selección
de artículos originales para su lectura y discusión crítica, como así también la propuesta de
diversos tipos de actividades (resolución de problemas, ejercicios, etc.; incluso algunas no
convencionales como la elaboración de cuentos e historietas)
En este trabajo se analizan las características principales del material elaborado y los
resultados obtenidos con su implementación.
Marco Teórico
Los diversos estudios, realizados antes de la elaboración del material escrito que aquí
presentamos, se fundamentan en la adopción de un enfoque que otorga al uso de la Historia de
la Ciencia y la Epistemología, en el diseño de propuestas concretas de aula, un rol tan
importante como el que tiene la adopción de un marco psicológico y uno didáctico. Este
abordaje contextualizado debe incluir un fuerte énfasis conceptual de los temas abordados,
indispensable para que las discusiones histórico-epistemológicas adquieran sentido para los
estudiantes.
Se asume que el uso que se hace de la Historia de la Ciencia y la Epistemología posibilita,
entre otros aspectos, determinar obstáculos epistemológicos que sirven de guía para la
elección de los contenidos relevantes a ser enseñados y permitir la discusión sobre la
producción del conocimiento científico, el rol del contexto social y cultural del momento
histórico en que ese conocimiento se produce y las repercusiones del mismo, dentro y fuera
del ámbito científico, con el objetivo de intentar desterrar esteriotipos acerca de la ciencia que
Además, este enfoque posibilitaría que los alumnos comprendiesen las dificultades, los
obstáculos que se debieron superar y los contextos culturales, filosóficos, tecnológicos, etc.,
distintos del actual, en que se produjeron las teorías científicas; que la ciencia es una actividad
humana y está realizada por hombres que aportan contribuciones parciales respondiendo
preguntas que se plantean en cada época, o sea, que rara vez es uno sólo el “descubridor”; que
los científicos, en cada momento histórico, no pensaban en los “términos actuales”, ya que
utilizaban las herramientas lógicas, metodológicas, epistemológicas y las tradiciones
predominantes de su medio y su época (Hodson, 1986; Kragh, 1989). Consideramos que esta
perspectiva favorece el alcance de algunos de los objetivos planteados en las propuestas
curriculares elaboradas por el Ministerio de Educación de la Nación, tales como formar
ciudadanos alfabetizados científicamente, que construyan, durante la etapa de escolarización,
conocimientos de ciencia pero al mismo tiempo sobre la actividad científica.
En el eje epistemológico, se adoptaron elementos de la epistemología de Bachelard (1991),
que permitieron desarrollar un análisis epistemológico del contenido de la TER (Arriassecq y
Greca, 2002). Este análisis delimitó los conceptos centrales que los alumnos deberían
aprender significativamente. Estos conceptos son los de espacio, tiempo y las nociones
asociadas de sistema de referencia, observador, simultaneidad y medición, indispensables
para la comprensión relativista del espacio-tiempo.
El eje psicológico fue elaborado a partir de una síntesis de diversas perspectivas sobre la
formación de conceptos (especialmente se adoptan algunos aspectos de las teorías de
Vergnaud (1990), Ausubel et al. (1991) y Vygotsky (1987), tomados como marcos teóricos
complementarios) que posibilitan interpretar cómo los alumnos logran conceptualizar un
contenido concreto en situación de aula. Con la teoría de Vergnaud, en particular, fueron
analizadas, en un estudio previo, (Arriassecq y Greca, 2006) las representaciones de los
alumnos – en término de invariantes operatorios – en relación con los conceptos antes
referidos – espacio, tiempo, sistema de referencia, observador, simultaneidad, medición –,
información que permitió determinar las dificultades de los alumnos con los mismos.
En el eje didáctico se tomó como referente fundamental la concepción de objetivo-obstáculo
de Martinand (1986), quien propone la existencia de una relación dialéctica entre los objetivos
de la enseñanza y los obstáculos que se interponen en la concreción de los mismos (de donde
de la educación en ciencias, no pueden definirse a priori y con independencia de las
representaciones de los alumnos como ocurre habitualmente, sino que pueden plantearse en
término de las transformaciones intelectuales que se producen al superar un determinado
obstáculo, para lo cual, en primer lugar, es necesario identificar las representaciones de los
alumnos respecto del campo conceptual – invariantes operatorios y teoremas en acto – que se
pretende abordar como mencionamos anteriormente.
De los teoremas-en-acto inferidos, que no se corresponden con los científicamente
consensuados, fueron seleccionados aquellos que consideramos pueden ser transformados en
objetivos para nuestra propuesta didáctica y que incluyen la superación de los obstáculos por
parte del alumno para realizar un aprendizaje significativo del tema TER. La relación entre
conceptos, teoremas-en-acto, obstáculos y objetivos se encuentra en el Anexo.
Propuesta didáctica para el abordaje de la TER
La elaboración y posterior implementación de este material estuvo precedida por una primera
etapa que se focalizó en:
- El análisis epistemológico de cuestiones relevantes dentro de la TER (Arriassecq, y Greca,
2002).
- La indagación de las dificultades de los docentes para afrontar la tarea de abordar la TER en
el nivel de enseñanza medio/polimodal, en situación concreta de aula (Arriassecq, y Greca,
2003 y 2004).
- El análisis de los libros de texto que tanto los docentes como los alumnos adoptan como
recurso didáctico (Arriassecq, y Greca, 2003).
- En el análisis de las dificultades de los estudiantes para conceptualizar los aspectos más
relevantes de la TER (Arriassecq et. al., 2004; Arriassecq, y Greca, 2004 y 2006).
A partir de los resultados obtenidos en las diversas etapas del trabajo de investigación
mencionadas anteriormente, se desarrolló una propuesta didáctica para el abordaje de la TER
(Arriassecq, 2008), coherente con el marco teórico antes descripto.
Esta propuesta consta de cinco etapas. En la primera, se analizan cuestiones de índole
histórico-epistemológica referidas a la noción de ciencia, características del trabajo científico,
evolución de las ideas en ciencia, influencias del contexto social, histórico y cultural en el
realiza una profunda revisión de los conceptos de Mecánica Clásica que son necesarios para
interpretar la TER, así como aquellos que se modifican sustancialmente a partir de la misma.
En la tercera, se abordan los conceptos de Electromagnetismo que entran en conflicto con la
Mecánica Clásica y son retomados por Einstein en la TER. Posteriormente, en la cuarta etapa,
se discuten los aspectos fundamentales de la TER, partiendo del artículo original de 1905.
Esta discusión es abordada desde diversas perspectivas, de manera tal que el alumno tenga la
posibilidad de construir nuevos esquemas mentales para enfrentarse con situaciones que
requieran la reformulación de conceptos clásicos. Por último, en la quinta parte de la
propuesta se pretende que los alumnos conozcan algunos aspectos de la vida de Albert
Einstein como hombre, trascendiendo al “mito” (Arriassecq y Adúriz-Bravo, 2006).
Cabe destacar que los conceptos claves de la TER son retomados, en diferentes etapas de la
puesta en práctica de la propuesta, recurriendo a diversas representaciones de los mismos tales
como la algebraica y la gráfica, permitiendo con esta última clase de representación realizar
estimaciones cualitativas que incluyen la posibilidad de comparar las mediciones obtenidas
por diferentes observadores, establecer la simultaneidad o no de acontecimientos, etc.
Material escrito elaborado para uso de docentes y alumnos
El material escrito que se ha elaborado tiene la estructura de un libro de texto, que consta de
cinco capítulos, siguiendo la secuencia antes descripta. Cada tópico fue redactado a partir de
la selección de contenidos realizada desde el marco teórico adoptado en correspondencia con
los objetivos que se pretendían alcanzar con la propuesta didáctica. El mismo rol tuvo el
marco teórico para diseñar, secuenciar y evaluar cada una de las actividades que
complementan los desarrollos conceptuales como así también para seleccionar las lecturas que
realizarían los alumnos para cada una de ellas. Se trata, en algunos casos, de textos originales
que pueden ser trabajados en clase con la ayuda del docente. En otras actividades, se
proponen lecturas de textos elaborados por especialistas en Historia de la Física donde se
abordan cuestiones tanto conceptuales como otras que trascienden la Física como disciplina y
que plantean debates en torno a las repercusiones de la TER fuera de la misma. Cabe aclarar
que se tuvo especial cuidado de realizar el desarrollo y la redacción de cada uno de los tópicos
teniendo en cuenta la edad de los alumnos a la cual se dirige, sin por ello dejar de lado la
Resultados obtenidos y comentarios finales
La evaluación de la implementación de la propuesta didáctica utilizando el material escrito
desarrollado nos permite afirmar que, pesar de diversas dificultades e imprevistos que
surgieron durante el proceso de enseñanza, los resultados logrados por el grupo de alumnas
con el que se trabajó, en términos de aprendizajes de conceptos centrales de la TER, parecen
ser bastante mejores que los obtenidos cuando la TER es abordada de una forma que podría
denominarse “tradicional”, donde el principal recurso didáctico usado por los docentes es el
libro de texto. (Arriassecq, 2008)
El texto que hemos elaborado profundiza en un tópico que, a pesar de su importancia, no ha
sido suficientemente investigado en el área de la Enseñanza de la Física en Argentina y,
además, lo hemos hecho desde un marco teórico innovador que integra elementos
epistemológicos, psicológicos y didácticos que guió la elaboración del material escrito.
Queremos destacar que el texto parece haber sido de gran utilidad para la docente que lo
utilizó como el principal recurso en el abordaje que realizaba por primera vez de la TER en el
nivel medio/polimodal, sin tener formación de grado ni capacitación posterior específica
sobre el tema (Arriassecq, 2008).
Tenemos plena convicción de que es posible introducir en el nivel medio/polimodal
elementos de la TER con el material que hemos elaborado, a pesar de la falta de formación de
los profesores en el tema y del escaso tiempo disponible. Esta introducción, al parecer, no
sólo resulta provechosa para los estudiantes en el sentido de acercarlos a una Física más
“actual” sino que además parece permitirles revisar y comprender de forma más profunda
contenidos clásicos que pasan desapercibidos en la enseñanza tradicional, como son los
conceptos de tiempo, espacio, sistema de referencia, observador, simultaneidad y medición
que, por otra parte, son conceptos requeridos en los ingresos a las universidades. Pretender
lograr una verdadera alfabetización científica en los alumnos como propone el Ministerio de
Educación, no es incompatible con la “preparación” para los ingresos a las universidades,
aunque es necesario asumir que la implementación de una propuesta como la que hemos
elaborado, utilizando el material escrito que hemos descrito, requiere de un tiempo mayor del
que habitualmente se dedica a un tema como la TER en el nivel medio polimodal, teniendo en
cuenta que, en realidad, el mayor tiempo que demandaría el abordaje de esta teoría contempla
un porcentaje importante del mismo dedicado a la revisión – o reconstrucción – de tópicos
Anexo
CONCEPTOS TEOREMAS – EN - ACTO OBSTÁCULOS OBJETIVOS
- El concepto de tiempo es difícil de definir.
- El tiempo es una unidad.
- El tiempo es un concepto absoluto.
- Tiempo es un concepto relativo.
- Se representa al tiempo con un reloj.
- El tiempo se puede representar como la variable independiente en un sistema de ejes coordenados.
- El tiempo no se puede representar.
- No es posible, actualmente, viajar en el tiempo por cuestiones tecnológicas.
Tiempo
- No es posible viajar en el tiempo físicamente.
- Los alumnos asumen que el concepto de tiempo que se utiliza en el ámbito científico no difiere del utilizado en el lenguaje cotidiano.
- Cuando los alumnos se refieren al concepto de tiempo, supuestamente desde el contexto de la ciencia, incurren en errores tales como confundir magnitudes con unidades y no establecen claramente las relaciones entre estos conceptos y el significado del proceso de medición de la magnitud tiempo.
- Analizar el concepto de tiempo desde diversos enfoques: filosófico, científico y psicológico.
- Reconocer las diversas posibilidades de representación gráfica de la magnitud tiempo.
- Identificar los conceptos involucrados en el proceso de medición del tiempo.
- Interpretar el concepto de tiempo en el campo conceptual de la TER estableciendo las diferencias con la mecánica clásica.
- El espacio no se puede representar.
Espacio
- El espacio es el lugar que ocupan los cuerpos y los huecos que quedan entre ellos.
- Las representaciones de los alumnos respecto del espacio coinciden con el modelo platónico.
- Reelaborar el modelo construido de espacio, adecuándolo al requerido en la mecánica clásica.
- Interpretar el concepto de espacio en el campo conceptual de la TER estableciendo las diferencias con la mecánica clásica.
Observador - El observador puede ser un individuo o un instrumento que registra datos detalladamente.
- Los alumnos vinculan la idea de observador con la de una persona que "observa", otorgándole el sentido de "ver" o "mirar".
- Redefinir la noción de observador adecuándola a la TER.
Simultaneidad
- Dos sucesos son simultáneos cuando ocurren al mismo tiempo y en el mismo lugar.
- Los alumnos consideran que la simultaneidad de eventos sólo puede ocurrir cuando éstos acontecen en un mismo lugar.
- Analizar las diversas posibilidades de eventos simultáneos en mecánica clásica.
- Analizar las diversas posibilidades de eventos simultáneos en la TER.
Medición - Lo más importante en el proceso de medición es el instrumento.
- Para el alumno no es relevante el rol del observador en el proceso de medición.
- Distinguir, desde el punto de vista físico, que en el contexto de la TER "ver" no es lo mismo que "medir.
- Analizar la relación entre proceso de medición, observador e instrumentos.
Sistema de Referencia
- Para resolver problemas de Física no es necesario tener en cuenta el sistema de referencia.
- Ante situaciones problemáticas concretas que requieren del concepto de sistema de referencia para su resolución, los alumnos no lo utilizan.
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