FISICA Y QUIMICA Investigación Innovaciòn y buenas prácticas. CAAMAÑO. COMPRADO.pdf

FORMACIÓN DEL PROFESORADO. EDUCACIÓN SECUNDARIA

FÍSICA Y QUÍMICA

Investigación, innovación y buenas prácticas Aureli Caamaño (coord.) Antxon Anta, Manel Belmonte, Aureli Caamaño, Octavi Casellas, Josep Corominas, Digna Couso, Fina Guitart, María Isabel Hernández, Glinda Irazoque, Vicente Mellado, Julián Oro, Roser Pintó, Octavi Plana, Antonio de Pro, César Sancho, Montserrat Tortosa Tortosa

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Vol. III

Formación del Profesorado. Educación Secundaria Serie: Didáctica de las Ciencias experimentales (Física y Química)/Formación y Desarrollo Profesional del Profesorado Director de la colección: César Coll Coeditan

MINISTERIO DE EDUCACIÓN Secretaría de Estado de Educación y Formación Profesional Instituto de Formación del Profesorado, Investigación e Innovación Educativa (IFIIE) © Secretaría General Técnica Catálogo de publicaciones del Ministerio: educacion.es Catálogo general de publicaciones oficiales: publicacionesoficiales.boe.es publicacionesoficiales.boe.es EDITORIAL GRAÓ, de IRIF, S.L. C/ Hurtado, 29. 08022 Barcelona www.grao.com © Aureli Caamaño (coord.), Antxon Anta, Manel Belmonte, Aureli Caamaño, Octavi Casellas, Josep Corominas, Digna Couso, Fina Guitart, María Isabel Hernández, Glinda Irazoque, Vicente Mellado, Julián Oro, Roser Pintó, Pintó, Octavi Plana, Plana, Antonio de Pro, César Sancho, Montserrat Montserrat Tortosa © De esta edición: Editorial GRAÓ, de IRIF, S.L. Editorial GRAÓ, de IRIF, S.L. Ministerio de Educación, Secretaría General Técnica 1.ª edición: mayo 2011 NIPO: 820-11-261-6 ISBN: 978-84-9980-081-3 D.L.: B-20.565-2011 Diseño: Maria Tortajada Maquetación y preimpresión: Creacions Gràfiques Canigó, S.L. Impresión: BIGSA Impreso en España Quedan rigurosamente prohibidas, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción o almacenamiento total o parcial de la presente publicación, incluyendo el diseño de la portada, así como la transmisión de la misma por cualquiera de sus medios tanto si es eléctrico, como químico, mecánico, óptico, de grabación o bien de fotocopia, sin la autorización escrita de los titulares del copyright .

Formación del Profesorado. Educación Secundaria Serie: Didáctica de las Ciencias experimentales (Física y Química)/Formación y Desarrollo Profesional del Profesorado Director de la colección: César Coll Coeditan

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ÍNDICE Introducción Introdu cción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. Formación del profesorado de ciencias y buenas prácticas: el lugar de la innovación y la investigación didáctica, Vicente Mellado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Antecedentes escolares y formación inicial del profesorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 El conocimiento conocimiento del contenido contenido de Ciencias experimentale experimentaless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 El conocimiento de la didáctica de las Ciencias experimentales experimenta les . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 La transformación del conocimiento académico en el conocimiento didáctico del contenido a través de la práctica del aula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 El conocimiento didáctico del contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 El desarrollo profesional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Reflexión final final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Actividad/Referencias bibliográficas biblio gráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2. Unidades didácticas y proyectos de calidad en la enseñanza de la Física,

Digna Couso, María Isabel Hernández, Roser Pintó, Fina Guitart, Octavi Plana . . . . . 31 Indagación y modelización sobre las propiedades acústicas de los materiales en el proyecto curricular «Materials Science», Digna Couso, María Isabel Hernández y Roser Pintó Pintó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 «Ciencia para el siglo XXI»: un proyecto inglés para la enseñanza de la ciencias a alumnos de 14-16 años. Las La s unidades de Física, Fina Guitart . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Física en contexto en el bachillerato: «Física Salters» y «Advancing Physics», Octavi Plana Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Actividades/Ref Activid ades/Referencias erencias bibliogr bibliográficas áficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3. Unidades didácticas y proyectos de calidad en la enseñanza de la Química, Aureli Caamaño y Fina Guitart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

La Química en el proyecto «Ciencia para el siglo XXI», Fina Guitart . . . . . . . . . . . . . . 60 La «Química Faraday», Aureli Caamaño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 El proyecto «Química Salters», Aureli Caamaño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 El proyecto «Chemie im Kontext», Ko ntext», Fina Guitart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Actividades/Ref Activid ades/Referencias erencias bibliogr bibliográficas áficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4. Experimentos e investigaciones en Química, Josep Corominas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Experiencias POE, experiencias ilustrativas ilustrativa s e investigaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Actividad/Referencias bibliográficas biblio gráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

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FÍSICA Y QUÍMICA. INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y BUENAS PRÁCTICAS

5. Experimentos e investigaciones en Física, Antxon Anta y César Sancho . . . . . . . . . . 105

Las llamadas tradicionalmente prácticas de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Las denominadas demostraciones o experiencias de cátedra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Las pequeñas investigaciones investigacio nes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Actividad/Referencias bibliográficas biblio gráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6. El uso de sensores y equipos de captación de datos en los trabajos prácticos de Física y Química, Montserrat Tortosa y Julián Oro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

¿Qué son los sensores y los equipos de captación c aptación de datos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 ¿Cuáles son las ventajas de utilizar sensores en los trabajos prácticos? . . . . . . . . . . . 132 ¿Qué nos aportan estas herramientas para una buena educación científica de nuestros alumnos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 ¿Cómo estructurar los protocolos de las prácticas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 ¿Cómo integrar los sistemas de captación de datos a un trabajo por competencias? . . . . 138 Dificultades por parte de los profesores para la utilización de sensores. Algunas ideas para superarl superarlas as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Buenas prácticas de Física utilizando u tilizando sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Buenas prácticas de Química utilizando sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 En síntesis, ¿qué nos puede aportar de nuevo el trabajo con sensores? . . . . . . . . . . . 147 Actividad/Referencias bibliográficas biblio gráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7. Simulaciones: herramientas para la enseñanza y el aprendizaje en Física y Química, Octavi Casellas y Fina Guitart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Simulaciones o applets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Características de los applets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Visualización Visuali zación de fenómenos fenómenos y experimentos experimentos difíciles difíciles de realizar . . . . . . . . . . . . . . . 158 Obtención de resultados cuantitativos cua ntitativos y cualitativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Modelización a escala submicroscópica sub microscópica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Visores moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Laboratorios virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Algunos inconvenientes de las l as simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Tipos de simulacione simulacioness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Requisitos de una buena simulación y criterios para su evaluación. . . . . . . . . . . . . . 164 Utilización Utiliza ción de las simulacion simulaciones es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Orientaciones para un uso eficaz efi caz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 ¿Cómo encontrar los applets? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Actividades/Ref Activid ades/Referencias erencias bibliogr bibliográficas áficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Í NDICE

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8. La enseñanza y el aprendizaje de la terminología físico-química: magnitudes y símbolos, Aureli Caamaño y Glinda Irazoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

La importancia del lenguaje en las clases de ciencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 ¿Qué es la terminología científica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Origen de las dificultades en el uso de los términos científicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 ¿Cómo deben denominarse las magnitudes físico-químicas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Implicaciones didácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Actividad/Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 9. El trabajo de investigación en el bachillerato y el proyecto de investigación en 4.º de educación secundaria obligatoria, Manel Belmonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Disposiciones y normativa oficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Motivos para incorporar una investigación, o su iniciación, en el currículo: concepto estricto de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 El proceso de investigación adaptado a la educación secundaria . . . . . . . . . . . . . . . 194 Características de una investigación en la educación secundaria . . . . . . . . . . . . . . . 196 Dificultades para el desarrollo en secundaria de una investigación en sentido estricto . . 197 Función del tutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Recursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Actividad/Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10. El prácticum en el aula de ciencias (Física y Química): orientaciones para el diseño, la experimentación y la evaluación de actividades , Antonio de Pro . . . . . . . . . . . . . . . 205

El prácticum en la formación inicial del profesorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Los planes de prácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Ejemplos de tareas para realizar en el prácticum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Para terminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Actividades/Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Fuentes y recursos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

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INTRODUCCIÓN Aureli Caamaño

Coordinador Física y Química. Investigación, innovación y buenas prácticas forma parte de la colección Formación del Profesorado. Educación Secundaria, cuyo objetivo es contribuir a la formación permanente, tanto en los procesos de actualización docente como en la puesta en marcha del Máster de Secundaria, que habilita para el ejercicio de la profesión.

Este volumen tiene como objetivo dar a conocer los aspectos más prácticos de la formación del profesor de Física y Química a través de una serie de capítulos que abordan desde el conocimiento didáctico del contenido, hasta las orientaciones para el desarrollo del prácticum, tanto en la fase de observación como en la de elaboración, experimentación y evaluación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje. Para ello se presenta un conjunto de ejemplos de secuencias didácticas y proyectos curriculares de Física y Química, especialmente innovador; una amplia propuesta de trabajos prácticos en forma de experiencias o pequeñas investigaciones, realizados con material usual en los laboratorios y con equipos de sensores y de captación de datos; un análisis de los diferentes tipos de simulaciones informáticas que pueden utilizarse; además se ofrecen normas para el uso correcto de la terminología fisicoquímica y de los símbolos recomendados para las magnitudes y orientaciones para la tutorización de los trabajos de investigación en 4.º de educación secundaria obligatoria (ESO) y en bachillerato. Acompañan a este libro otros dos volúmenes: • El primero de esta especialidad, Física y Química. Complementos de formación disci plinar , aborda: la naturaleza de la ciencia; la historia de la física y de la química; los desarrollos recientes en estas disciplinas y sus campos de aplicación; los problemas ambientales y la sostenibilidad, así como el currículo actual y el enfoque didáctico más apropiado de las mencionadas materias en la ESO y el bachillerato, y la asignatura de Ciencias para el mundo contemporáneo. • El segundo, Didáctica de la Física y la Química, trata de las cuestiones clave que plantea la enseñanza de estas disciplinas: la diferencia entre ciencia y ciencia escolar; la competencia científica y la profesional; las diferentes tipologías de secuencias didácticas; la elaboración de modelos; la argumentación; la enseñanza dialógica; los trabajos de investigación; la tecnología digital en la enseñanza de la Física y la Química, y la evaluación. En el caso de los dos primeros cursos de la ESO, los contenidos de Física y Química forman parte de la asignatura de Ciencias de la naturaleza, en la que también son necesarios unos conocimientos básicos de Biología y Geología. Esta necesidad de una formación científica

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más generalista se hace también evidente en el currículo de la asignatura de Ciencias para el mundo contemporáneo, que se imparte en el primer curso de bachillerato. Los tres volúmenes correspondientes a la especialidad de Biología y Geología, publicados en esta misma colección, pueden ser, en este sentido, de gran ayuda. En el primer capítulo de este libro, «Formación del profesorado de ciencias y buenas prácticas: el lugar de la innovación y la investigación didáctica», Vicente Mellado traza unas líneas generales sobre los procesos y conocimientos necesarios para realizar buenas prácticas en la educación secundaria, y para que el profesor pueda controlar y autorregular su propia formación y desarrollo profesional. Para ello, toma como eje el conocimiento didáctico del contenido (CDC), el saber más específicamente profesional, el que ayuda a tomar decisiones en la práctica de la enseñanza y el que distingue a los buenos profesores. Todo ello constituye un cuerpo de conocimientos que caracteriza la enseñanza como profesión y es una forma de acción didáctica por la cual los profesores transforman un contenido dado en representaciones comprensibles para sus estudiantes. En el segundo capítulo, «Unidades didácticas y proyectos de calidad en la enseñanza de la Física», se presentan, como su título indica, varias unidades didácticas y proyectos de interés que tienen en común la contextualización de los contenidos y el enfoque indagatorio. En primer lugar, Digna Couso, María Isabel Hernández y Roser Pintó describen los criterios de elaboración y los resultados de la experimentación de una unidad didáctica sobre las propiedades acústicas de los materiales, para estudiantes de la ESO, que forma parte del proyecto curricular europeo «Material Science». En segundo lugar, Fina Guitart describe la filosofía y la estructura del proyecto inglés «Ciencia para el siglo XXI» («XXI Century Science»), para alumnos de 14 a 16 años y, en particular, aborda las unidades de Física del proyecto. Por último, Octavi Plana, analiza dos proyectos de física en contexto para el bachillerato, la «Física Salters» («Física en contexto»), una adaptación del proyecto inglés «Salters Horners Advanced Physics», y el proyecto «Advancing Physics» publicado por el Institut of Physics. El conjunto de estos materiales nos ofrece una visión de las actuales tendencias curriculares para la Física de la ESO y el bachillerato, en las que priman la relevancia social y la contextualización de los contenidos, así como el carácter indagatorio de las actividades de enseñanza-aprendizaje. El tercer capítulo, «Unidades didácticas y proyectos de calidad en la enseñanza de la Química», se presenta con un enfoque similar al ofrecido en el apartado anterior. En primer lugar, Fina Guitart describe las unidades de Química del proyecto «Ciencia para el siglo XXI» para alumnos de 14-16 años; en segundo lugar, Aureli Caamaño revisa las aportaciones de la «Química Faraday», un proyecto con un enfoque didáctico basado en la elaboración progresiva de modelos químicos y en la búsqueda de evidencias experimentales, inspirado en la evolución histórica de los conceptos químicos; y a continuación presenta la «Química

INTRODUCCIÓN

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Salters», un proyecto de química en contexto para el bachillerato, adaptación del proyecto inglés «Advanced Salters Chemistry», que fue experimentado en España durante la segunda mitad de la década de 1990 y que, en la actualidad, ha tenido una influencia notable en el nuevo currículo de Química del bachillerato en Cataluña. Por último, Fina Guitart presenta las líneas generales y el enfoque didáctico del proyecto alemán de «Química en contexto» («Chemie im Kontext»), para alumnos de ESO y bachillerato. En el capítulo 4, «Experimentos e investigaciones en Química», Josep Corominas propone una serie de prácticas de observación y de interpretación, así como pequeños trabajos de investigación en Química, tales como la determinación del poder calorífico de un combustible, la indagación de la estequiometría de una reacción, la fabricación de una pila con materiales de escritorio o el equilibrio químico del dióxido de carbono que existe en una botella de agua mineral. Muchas de las experiencias de interpretación son presentadas como experiencias POE (predicción-observación-explicación). En el capítulo 5, «Experimentos e investigaciones en Física», Anxon Anta y César Sancho nos presentan una serie de prácticas de fenómenos físicos, que constituyen una actualización de las demostraciones o experiencias de cátedra, sobre mecánica, electromagnetismo y óptica. En el capítulo 6, «El uso de sensores y equipos de captación de datos en los trabajos prácticos de Física y Química», Julián Oro y Montserrat Tortosa se refieren a las ventajas del uso de estos equipos en las prácticas de física y química, así como a las posibles dificultades que pueden presentarse y cómo superarlas; para acabar los autores ofrecen una selección de prácticas realizadas con sensores. El conjunto de estos tres capítulos, dedicados al trabajo experimental en el laboratorio, nos ofrece una excelente fuente de ideas, recursos y recomendaciones didácticas para afrontar este tipo de actividades, que son fundamentales en la enseñanza de la Física y la Química. En el capítulo 7, «Simulaciones: herramientas para la enseñanza y el aprendizaje en Física y Química», Octavi Casellas y Fina Guitart abordan el uso de las animaciones y simulaciones en la enseñanza. Describen sus características y su utilidad para visualizar fenómenos y experimentos, obtener resultados cualitativos y cuantitativos, representar modelos submicroscópicos, visualizar moléculas en tres dimensiones y realizar prácticas virtuales. Finalmente, clasifican las simulaciones según el tipo de variables que manejan (cualitativas/cuantitativas), el grado de interacción, los entornos y la funcionalidad, y dan orientaciones para su uso y selección. En el capítulo 8, «La enseñanza y el aprendizaje de la terminología físico-química: magnitudes y símbolos», Aureli Caamaño y Glinda Irazoque analizan las dificultades en el uso del léxico especializado: la coincidencia de determinados términos en el lenguaje general y en el científico; el uso del vocabulario como una forma de etiquetaje; la existencia de palabras polisémicas; la sinonimia; la evolución histórica de determinados vocablos; los diferentes

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significados que adquiere un término a lo largo del currículo escolar, y el mantenimiento por tradición de palabras equívocas. A continuación, presentan las recomendaciones más importantes dadas por la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) y la International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) sobre la nomenclatura de las magnitudes físico-químicas y de sus unidades, y destacan la importancia didáctica de tenerlas en cuenta en las aulas. En el capítulo 9, «El trabajo de investigación en bachillerato y el proyecto de investigación en 4.º de educación secundaria obligatoria», Manel Belmonte aborda cómo preparar, guiar y evaluar dichos trabajos y proyectos. Éstos constituyen actividades obligatorias en e l currículo del bachillerato en Cataluña, pero son también promovidos por diferentes instituciones y asociaciones educativas en toda España. En este capítulo se describe cómo adaptar el proceso a los cursos de secundaria; cuáles son las características de una investigación en este nivel educativo; cuál ha de ser el papel del tutor y, por último, se dan criterios para la evaluación de estos trabajos. El prácticum constituye la pieza fundamental del Máster de Secundaria ya que permite contextualizar, dar sentido, aplicar y relacionar muchos de los contenidos trabajados en él. En el capítulo 10, «El prácticum en el aula de ciencias (Física y Química): orientaciones para el diseño, la experimentación y la evaluación de actividades», Antonio de Pro aborda las facetas correspondientes a la enseñanza de la Física y Química, y ofrece una serie de orientaciones para las fases de observación y actuación; además aporta indicadores para la supervisión de una actividad de laboratorio y de la explicación del profesorado; expone, también, actividades de exploración de las ideas de los estudiantes, criterios para el análisis de materiales curriculares y, por último, ofrece orientaciones para la elaboración, experimentación y evaluación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje.

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1. FORMACIÓN DEL PROFESORADO DE CIENCIAS Y BUENAS PRÁCTICAS: EL LUGAR DE LA INNOVACIÓN Y LA INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA

CONTENIDO DE CAPÍTULO

• • • •

Antecedentes escolares y formación inicial del profesorado El conocimiento del contenido de Ciencias experimentales El conocimiento de la didáctica de las Ciencias experimentales La transformación del conocimiento académico en el conocimiento didáctico del contenido a través de la práctica del aula • El conocimiento didáctico del contenido • El desarrollo profesional • Reflexión final

Vicente Mellado

Universidad de Extremadura La buena enseñanza es la que realizan los buenos profesores, la clave de cualquier proceso de mejora del sistema educativo y lo que verdaderamente determina el éxito o el fracaso de cualquier reforma o innovación curricular. Como señalara Fullan (1991, p. 117), «los cambios en educación dependen de lo que piensan y hacen los profesores, algo tan simple y a la vez tan complejo». Pero los profesores no son técnicos que se limitan a aplicar las reformas y las instrucciones elaboradas por los expertos, sino que tienen unos conocimientos, concepciones, actitudes, emociones y valores, de manera que toman decisiones en función de múltiples factores, tanto de su propia historia y situación personal, como de los contextos sociales y profesionales en los que trabajan. La educación secundaria obligatoria (ESO) es una etapa especialmente compleja para el profesorado. El aumento del período de escolaridad obligatoria, la creciente interculturalidad,

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la conflictividad en las aulas, la pérdida del rol tradicional de autoridad del profesor y las nuevas tecnologías de la información y la comunicación, constituyen un reto permanente para los profesores, muchos de los cuales encuentran un desajuste entre su formación y lo que se espera de ellos. Una formación inicial centrada, hasta ahora, casi exclusivamente en el conocimiento del contenido, claramente insuficiente, como denunciara hace ya más de un siglo Francisco Giner de los Ríos. A pesar de las dificultades, en los centros de educación secundaria de España hay excelentes profesores que, con trabajo y dedicación, han superado las limitaciones de su formación inicial y para los que la enseñanza es una tarea gratificante. Algunos, sin embargo, no logran superar los obstáculos: ven como se derrumban las antiguas certezas, sus estrategias didácticas son sometidas a crítica, su autoridad es cuestionada, sus roles no se ajustan a lo esperado y las reformas y propuestas de innovación les crean una sobrecarga añadida de tensión que les hace sentir malestar, desánimo, frustración o culpabilidad. En los casos más graves les puede llevar al cinismo o a la depresión, con consecuencias negativas para ellos, para sus alumnos y para sus centros. La formación tiene que abordar también los aspectos afectivos y reforzar estrategias emocionales que ayuden al profesorado a superar estas dificultades. La intención de este capítulo es trazar unas líneas generales sobre los procesos y conocimientos necesarios para realizar buenas prácticas en la educación secundaria, y para que el profesor pueda controlar y autorregular su propia formación y desarrollo profesional. Para ello tomamos como eje el conocimiento didáctico del contenido (CDC), el conocimiento más específicamente profesional, el que ayuda a tomar decisiones en la práctica de la enseñanza y el que distingue a los buenos profesores de una materia. El conocimiento profesional del profesor de ciencias es complejo, en parte implícito, integra saberes epistemológicamente muy diferentes, y para cada profesor va evolucionando en un continuo desde la etapa escolar hasta el desarrollo profesional (Porlán y otros, 2010). Los estudiantes del Máster de Secundaria ingresan no sólo con un bagaje de conocimientos, sino con unos valores, concepciones, roles y actitudes sobre la ciencia, la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias, fruto de sus muchos años de escolaridad, de los que hay que partir. Y la formación no termina con el máster, sino que continúa a lo largo de la vida profesional del profesor. Las actividades y estrategias didácticas dependen, en gran parte, de la asignatura que se imparte y lo que se considera una buena enseñanza en una materia no lo es en otra. Shulman (1986) consideraba que además del conocimiento de la materia y del conocimiento psicopedagógico general, entre otros, los profesores desarrollan un conocimiento específico sobre la forma de enseñar su materia, que denominó el conocimiento didáctico del contenido. Este conocimiento es elaborado de forma personal por los profesores en la práctica de la enseñanza, constituye un cuerpo de conocimientos que distingue a la enseñanza como

FORMACIÓN DEL PROFESORADO DE CIENCIAS Y BUENAS PRÁCTICAS: EL LUGAR DE LA INNOVACIÓN Y LA INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA

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profesión, y es una forma de razonamiento y acción didáctica por la cual los profesores transforman un contenido dado en representaciones comprensibles para sus estudiantes. Desde entonces se han realizado numerosas formulaciones y el CDC se ha convertido en uno de los temas relevantes de la investigación en didáctica de las Ciencias (Acevedo, 2009; Friedrichsen y otros, 2009). El CDC tiene mucho en común con lo que Porlán y otros (2010) denominan el conocimiento práctico profesional . En síntesis, podemos distinguir tres fuentes del CDC en las distintas etapas de la vida del profesor: los antecedentes escolares, la formación inicial y la experiencia profesional (cuadro 1). Cuadro 1. El conocimiento didáctico del contenido (CDC) del profesorado de Ciencias experimentales

Formación inicial del profesorado

Orientaciones, concepciones, actitudes, emociones y valores

Conocimiento académico-base:

Antecedentes escolares

• Ciencias • Psicopedagógico • Didáctica de las Ciencias • Otros

Conocimiento

Se transforma e integra durante la enseñanza de las ciencias

didáctico del contenido:

• Curricular • Estudiantes • Estrategias • Evaluación

Experiencia profesional

Conocimiento del contexto

El conocimiento académico-base necesario para la enseñanza está formado por todos los contenidos que los profesores de educación secundaria en formación aprenden en las distintas asignaturas, incluyendo los contenidos científicos que han aprendido tanto en las carreras de ciencias como en el máster, los conocimientos psicopedagógicos generales cursados en éste, los contenidos de didáctica de las Ciencias y cualquier otro contenido cultural o profesional adicional. Este conocimiento académico-base se transforma e integra en el proceso de enseñar ciencias, en el conocimiento didáctico del contenido, enmarcado en el contexto

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particular en el que se imparte la enseñanza, y filtrado por las orientaciones, concepciones, actitudes, valores y sentimientos de cada profesor.

Antecedentes escolares y formación inicial del profesorado La enseñanza se distingue de otras profesiones en que cuando los futuros profesores comienzan su etapa de formación universitaria tienen ideas, concepciones, actitudes, valores, sobre la ciencia y sobre la forma de aprenderla y enseñarla, fruto de los años que han pasado como escolares, asumiendo o rechazando los roles de los profesores que tuvieron en su etapa escolar y universitaria. También las emociones sentidas al aprender las distintas asignaturas de Ciencias en secundaria se reflejan en las que posteriormente tendrán como profesores. Las investigaciones con maestros en formación han mostrado que las emociones que sentían al aprender Ciencias naturales durante la ESO eran mayoritariamente positivas y las de Física/Química, mayoritariamente negativas, existiendo en ambos casos una amplia correlación con las emociones que sentían al enseñar estas materias durante sus prácticas de enseñanza (Brígido y otros, 2009). La formación inicial es una oportunidad para que los futuros profesores reflexionen y hagan explícitas sus concepciones, actitudes, emociones sobre la ciencia y sobre la enseñanza y aprendizaje de las ciencias. Esto les ayudará a tomar conciencia de las mismas, a autorregularlas, y será un punto de partida hacia otras perspectivas más innovadoras. En España contamos con numerosos estudios sobre estos temas realizados con estudiantes del Curso de Adaptación Pedagógica (CAP) (Fuentes, García y Martínez, 2009; Martínez y otros, 2001). En general los licenciados en ciencias presentan concepciones simplistas sobre la naturaleza de la ciencia, con bastantes contradicciones, porque apenas han reflexionado sobre estos aspectos. En sus concepciones sobre la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias tienen tendencias y no modelos puros, resaltan el conocimiento práctico, muestran una relación parcial entre concepciones y conductas docentes, con fuertes contradicciones y, a diferencia de los profesores con experiencia, se muestran más innovadores en lo que dicen que hacen que en lo que realmente hacen en el aula. Las concepciones son la base cognitiva de las actitudes. Mientras las concepciones están más relacionadas con lo cognitivo, las actitudes y la motivación lo están con lo afectivo y lo emocional. La actitud también implica una predisposición a la acción y, por tanto, una mayor repercusión en la conducta en el aula. Cuando un profesor tiene una actitud y motivación positivas hacia una clase o hacia un alumno en particular, aumentan las posibilidades de que la clase o el alumno mejoren su propia actitud, su motivación hacia esa asignatura y su rendimiento. Las profecías autocumplidas tienen un efecto perverso cuando el profesor predice


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que un estudiante está condenado al fracaso, con lo cual éste se desmotiva y desmoraliza y acaba siendo consecuente con lo que el profesor profetiza de él. Otra línea interesante, basada en las teorías sociocognitivas de Bandura (1977), señala que la percepción del profesor acerca de su propia eficacia o competencia constituye un importante predictor de su conducta docente en el aula. La autoeficacia de los profesores depende de la percepción de la propia competencia en la enseñanza de cada materia en contextos concretos. El mismo profesor mostrará distintos niveles de autoeficacia en las distintas clases en función de lo preparado que se sienta para enseñar esa materia. La relación entre concepciones, actitudes, valores y la práctica del aula es compleja, mediada por factores cognitivos y emocionales y, según el profesor y el contexto, con frecuentes desfases y contradicciones entre lo que se piensa, lo que se dice y lo que se hace. Es necesario tomar conciencia de que cambiar cualquiera de estos aspectos no es fácil, ya que implica reconstruir críticamente los propios puntos de vista, lo que ocasiona costes cognitivos y emocionales para el profesor (Sanmartí, 2001). Para que estos cambios se produzcan, hay que incidir tanto en aspectos concretos como holísticos, ya que los cambios se consolidan si se relacionan e integran todos los aspectos. El lenguaje que utiliza el profesor para hablar de sus concepciones, roles y conducta en la clase no suele ser literal ni estructurado, sino más bien simbólico y de carácter metafórico. Las metáforas ayudan a organizar y articular de forma global las concepciones, roles y conocimiento práctico del profesor y permiten averiguar los referentes implícitos que los sustentan. Las conductas docentes de un profesor que se vea a sí mismo como un «transmisor» o «predicador» serán muy diferentes del que se vea como un «catalizador» o «mediador». Además, los profesores realizan cambios en sus concepciones y prácticas docentes cuando son capaces de construir nuevos roles a través de la reflexión crítica y, simultáneamente, adoptan o construyen nuevas metáforas compatibles con tales cambios. Cada profesor construye sus metáforas a partir de su experiencia personal, por lo que tienen un fuerte componente afectivo. Cuando el profesor analizado por Tobin y Tippins (1996) llega a la sala de profesores y dice que su clase es un «infierno», expresa no sólo una valoración académica sino algo que afecta a sus sentimientos y que marca su actitud hacia la clase, una actitud que se transmite al alumnado y al resto de profesorado.

El conocimiento del contenido de Ciencias experimentales «Este profesor sabe mucho, pero no sabe enseñarlo». Todos hemos oído esta frase en muchos estudiantes. Sin duda los profesores que enseñan ciencias deben tener un buen conocimiento de las materias objeto de su enseñanza, ya que nadie puede enseñar lo que no sabe. Sin embargo, el conocimiento de la materia por enseñar es una condición necesaria, pero no suficiente para el profesor.

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Además, el conocimiento del contenido tiene que ser relevante para la enseñanza. Al no existir una orientación profesional para ser profesor de educación secundaria, los conocimientos que recibe el futuro profesor en sus licenciaturas no difieren de los que van a dedicarse a la industria, a la empresa o a la investigación básica. Esto puede llevarle a convertir directamente el contenido disciplinar en curricular, sin tener en cuenta que la estructura académica disciplinar no es la misma que la del aprendizaje. La falta de orientación didáctica también influye en los roles de los futuros profesores de educación secundaria, ya que muchos tomarán como modelo los roles de sus profesores universitarios y se verán a sí mismos más como científicos que como educadores. Sin embargo, el conocimiento del contenido del profesor de ciencias se organiza de forma diferente que el de los científicos. La estructura del contenido se va formando a través de las experiencias de aprendizaje, pero se modifica al enseñarlo, ya que la visión de cómo el alumnado aprende ciencias influye en la propia concepción científica. Con la experiencia, el conocimiento científico del profesor se vuelve más jerarquizado, destacándose los conceptos más importantes para el aprendizaje. Por otra parte, en España las licenciaturas lo son de una materia concreta (física, química, biología o geología), mientras que el profesor de educación secundaria lo es de Física y Química o de Ciencias naturales (Biología y Geología). En un caso extremo puede ocurrir que un licenciado en física no haya cursado ni en su carrera ni cuando era estudiante de 2.º de bachillerato ninguna asignatura de Química y, sin embargo, tenga que impartir Química como profesor de educación secundaria. La falta de conocimientos científicos genera en el profesorado inseguridad, falta de confianza y una percepción negativa de su propia enseñanza. Todo ello tiene como consecuencia que los profesores dediquen más tiempo e interés a las materias que dominan y en las que se creen más eficaces. La inseguridad en el contenido les lleva a una mayor dependencia de la memorización y del libro de texto, lo cual supone un refuerzo de los modelos tradicionalestransmisivos de enseñanza, que dan al profesor mayor control sobre la clase y le evitan preguntas incómodas de los estudiantes. El conocimiento del contenido repercute en las explicaciones y en el discurso en clase. Un mayor conocimiento del contenido da como resultado que los profesores hablen menos y en períodos más cortos; realicen menos preguntas pero de más nivel cognitivo, y evalúen mejor las intervenciones de los estudiantes. El conocimiento del contenido también influye en la orientación de los temas y en la secuencia didáctica que siguen en la clase, aspecto de especial importancia, porque el profesor la organiza desde sus primeras prácticas de enseñanza y suele ser muy resistente al cambio durante su vida profesional. Finalmente, la falta de conocimientos de la materia por enseñar constituye un obstáculo para diagnosticar e intervenir en las dificultades de aprendizaje de los estudiantes. El constructivismo


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comenzó estudiando las ideas alternativas de los estudiantes sobre conceptos científicos, ideas que están profundamente arraigadas y que a menudo no coinciden con las teorías científicas. Pero tener ideas alternativas sobre conceptos científicos no es algo exclusivo del alumnado, ya que también A B C D se detectan en el profesorado. Por ejemplo, la persistencia de esquemas conceptuales aristotéImagen 1. Identificación de fuerzas licos pregalileanos sobre el movimiento de los cuerpos, en los que se asocia la fuerza a la velocidad y no a la aceleración (Gil, 1993). En la conocida imagen 1, se indica que un niño lanza verticalmente hacia arriba una bola de plomo, que sube hasta alcanzar la máxima altura y después vuelve a bajar (Sebastia, 1984). Se consideran despreciables la resistencia del aire y el empuje y se pide que identifiquen el dibujo que representa mejor las fuerzas a las que está sometida la pelota, cuando va subiendo, cuando alcanza la máxima altura y cuando está bajando. En todos los casos la respuesta correcta es la B, ya que la única fuerza que existe es la de la gravedad. Tampoco hay dudas de que los licenciados conocen perfectamente la segunda ley de Newton. Sin embargo, muchos de ellos señalan la C cuando la bola sube, la D cuando alcanza la máxima altura y la B cuando baja, porque han aprendido los contenidos científicos de una forma acabada y descontextualizada y no han reflexionado sobre los obstáculos epistemológicos, históricos y didácticos de un concepto que tardó veinte siglos en evolucionar en la historia de la ciencia.

El conocimiento de la didáctica de las Ciencias experimentales En los últimos treinta años hemos asistido a un extraordinario desarrollo de la didáctica de las Ciencias experimentales, consolidándose una comunidad científica de profesores e investigadores que cuenta con unos objetivos y métodos de investigación propios y que ha generado un cuerpo teórico de conocimientos específicos, en el que se integran los distintos aspectos de la enseñanza y aprendizaje de las ciencias. Los profesores de ciencias tienen que tener conocimientos sobre los fundamentos de la didáctica de las Ciencias, el currículo de Ciencias, las teorías del aprendizaje de las ciencias, los modelos de enseñanza de las ciencias, la planificación, las actividades y estrategias de enseñanza de las ciencias, la resolución de problemas, los trabajos prácticos, la construcción del conocimiento escolar (el cambio conceptual, las ideas alternativas de los estudiantes

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sobre cada tópico específico, etc.), las características del alumnado (actitudes, motivación, nivel de maduración, etc.), la organización del aula, los recursos en la clase de ciencias, el discurso y la argumentación en el aula de ciencias, la evaluación, etc. El conocimiento académico de la didáctica de las Ciencias se encuentra en numerosos libros, revistas, actas de congresos y publicaciones especializadas. Destacamos los cuatro Handbooks internacionales que revisan el estado de la investigación en el área (Gabel, 1994; Fraser y Tobin, 1998; Abell y Lederman, 2007; Fraser, Tobin y McRobbie, en prensa) y las más de cien revistas específicas de didáctica de las Ciencias. En España destacamos la compilación coordinada por Perales y Cañal (2000) y las revistas Enseñanza de las Ciencias (recientemente incluida en la base de datos del Institute for Scientific Information –ISI–), Alambique; Enseñanza de las Ciencias de la Tierra; Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias; Revista Eureka de Enseñanza y Divulgación de las Ciencias; Ciències; Educació Química EduQ; Didáctica de las Ciencias Experimentales y Sociales e Investigación en la Escuela. En América Latina también existen numerosas revistas específicas en las que pueden encontrarse ejemplos de investigaciones e innovaciones en las aulas de ciencias: Caderno Brasileiro de Ensino de Física (Brasil); Ciencia e Educação (Brasil); Investigaçoes em Ensino de Ciencias (Brasil); Educación en la Química (Argentina); Educación Química (México); Química Nova na Escola (Brasil); Revista Brasileira de Ensino de Física (Brasil); Revista de Educación en Biología (Argentina); Revista de Educación en Ciencias (Colombia); Revista de Enseñanza de la Física (Argentina); Revista Electrónica de Investigación en Educación en Ciencias (Argentina); Revista Tecne (Colombia); Episteme y Didaxis (Colombia), etc. Aunque queda mucho camino por recorrer, señalamos que en un estudio bibliométrico de los años 1998-2007 (Lee, Wu y Tsai, 2009), realizado en las tres revistas internacionales de mayor índice de impacto ISI del área (Science Education, Journal of Research in Science Teaching e Internacional Journal of Science Education), las investigaciones realizadas desde España están entre el sexto y séptimo lugar del mundo por el mayor número de artículos publicados en estas tres revistas. Toda esta bibliografía, junto a los diferentes capítulos y libros de esta misma colección, en los que el tema está extensamente desarrollado, permiten conocer los distintos aspectos de didáctica de las Ciencias, que cuenta con un cuerpo de conocimientos cada vez más consolidado y en pleno desarrollo. El reto es hacer que estos resultados lleguen a las aulas, e implicar al profesorado en actividades de investigación e innovación.


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La transformación del conocimiento académico en el conocimiento didáctico del contenido a través de la práctica del aula Los conocimientos académicos son necesarios, pero no suficientes, para que el profesor aprenda a enseñar, ya que este conocimiento proposicional no se transfiere directamente a la práctica. El conocimiento didáctico del contenido guía la conducta docente en el aula, pero no es simplemente una mezcla estática de los diferentes conocimientos académicos, sino que, a partir de la reflexión-en-la-acción de enseñar y de la reflexión-sobre-la-acción, transforma e integra los distintos conocimientos, en un proceso activo y dinámico del profesor. El conocimiento didáctico del contenido se genera y evoluciona a partir de los propios conocimientos académicos, filtrados por las concepciones, valores, actitudes y emociones, pero requiere de la implicación y reflexión personal sobre el proceso de enseñanza de la materia específica, en contextos escolares concretos. En este proceso, las prácticas de enseñanza juegan un papel esencial durante la formación inicial, para las que remitimos al capítulo 10, «El prácticum en el aula de ciencias (Física y Química): orientaciones para el diseño, la experimentación y la evaluación de actividades», de este mismo volumen. La reflexión en y sobre la práctica de la enseñanza permite al profesor en formación analizar y reconstruir sus teorías personales y su modelo de enseñanza (Jaén y Banet, 2003), así como generar más conocimiento procedimental y más esquemas prácticos de acción en el aula. En las primeras experiencias de enseñanza, los profesores ponen en práctica sus propias estrategias y rutinas de enseñanza, pero si no se les ayuda pueden dejarse dominar por estrategias defensivas, que les hagan sentirse más seguros en el aula, y que les será muy difícil cambiar en el futuro. Por ejemplo, si un profesor en formación inicia trabajos en grupo con sus estudiantes, lo que supone una mayor participación, y el profesor piensa que está perdiendo el control de la clase, puede decidir eliminar esta estrategia y volver a centrar la clase en su explicación, durante la cual los estudiantes están aparentemente más controlados y él se siente más seguro. La participación durante las prácticas de enseñanza en actividades de investigación e innovación con profesorado experimentado ayuda a los profesores en formación a colaborar con otros profesores, a compartir sus problemas y preocupaciones, y a sentirse más seguros para iniciar cambios didácticos. El trabajo final de máster, en combinación con las prácticas de enseñanza y las asignaturas de didáctica de las Ciencias, puede ser una excelente oportunidad para que el profesorado en formación se inicie en actividades de investigación-innovación sobre la enseñanza de las ciencias.

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En el proceso de formación del modelo didáctico de cada profesor destacamos la importancia del profesor-tutor de educación secundaria durante las prácticas, ya que es un potente modelo de rol y puede ejercer una fuerte influencia en la dirección de su futuro desarrollo profesional.

El conocimiento didáctico del contenido El conocimiento didáctico del contenido es el más específicamente profesional y el que distingue a los profesores expertos de una materia. Se elabora de forma personal en la práctica de la enseñanza, integrando y transformando los conocimientos académicos en representaciones comprensibles para los estudiantes, y formando en cada profesor el modelo personal de enseñanza de su materia. La buena enseñanza no es fruto del talento innato, sino del conocimiento profesional adquirido a través de años de arduo trabajo. Consideramos con Friedrichsen y otros (2009) que el conocimiento didáctico del contenido tiene cuatro componentes: el currículo, los estudiantes y el aprendizaje, las estrategias didácticas, y la evaluación; todos ellos referidos específicamente a cada materia. Magnusson, Krajcik y Borko (1999) aluden a dos tipos de conocimiento curricular : el de las metas, los objetivos, las competencias, que se establezcan en cada caso y según la normativa, y el de los programas, los materiales y los recursos específicos, diseñados para la enseñanza de temas particulares, en cada contexto concreto. La planificación y puesta en práctica de unidades didácticas permite al profesor analizar los documentos curriculares y los recursos de enseñanza, así como reflexionar y plasmar de forma explícita su modelo de enseñanza (Pro, 1999; Sánchez y Valcárcel, 2000). Los profesores planifican fundamentalmente atendiendo a los contenidos y las actividades, pero hay objetivos personales implícitos, relacionados con su conocimiento práctico y con las expectativas que tienen de sus alumnos, que condicionan toda la programación. En la planificación cada profesor filtra el currículo y los programas, en función del contexto en el que lleva a cabo su enseñanza, así como atendiendo a sus propias orientaciones, concepciones, conocimientos, experiencia, etc. Aspectos incluidos en las últimas reformas en España, tan importantes como los contenidos procedimentales en las asignaturas de Ciencias (sobre los que en gran parte se basa la evaluación del Informe PISA para los estudiantes de ESO), apenas se han puesto en práctica en las aulas de educación secundaria (Pro, 2006). Por una parte, por la falta de adecuación de los libros de texto, y por otra, porque aunque muchos profesores muestren formalmente su acuerdo con el discurso innovador de las reformas, no las llevan a cabo en el aula si éstas les producen ansiedad e inseguridad y afectan emocionalmente a su identidad y a sus roles como profesores. Para mayor información sobre la planificación nos remitimos a los ejemplos de unidades didácticas y de experiencias prácticas desarrollados en los siguientes capítulos.


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En el conocimiento relativo a los propios estudiantes, como aprendices de la correspondiente materia de Ciencias, se incluyen los requisitos para aprender los conceptos, las dificultades específicas de aprendizaje, los distintos enfoques y tipologías de aprendizaje, las ideas alternativas que tienen sobre cada concepto y sus procesos de construcción del conocimiento escolar. El paradigma constructivista es un marco teórico de referencia desde el que se han investigado ampliamente las ideas del alumnado sobre distintos conceptos científicos y la evolución conceptual de las mismas. Estos trabajos, enriquecidos con los realizados desde otras perspectivas como la sociocultural y crítica, son una referencia indispensable que ayudarán al profesor a identificar las ideas alternativas, los obstáculos al aprendizaje y el proceso de construcción de conocimiento científico de sus propios alumnos. La toma de conciencia de la existencia de las ideas alternativas de los estudiantes se ha mostrado como un aspecto clave para la mejora del CDC del profesorado y la consiguiente puesta en práctica de nuevas estrategias de enseñanza de las ciencias en el aula (Da Silva y otros, 2007). En el conocimiento sobre las estrategias de enseñanza de las ciencias se incluyen las estrategias, actividades, demostraciones, explicaciones, argumentaciones, diálogos, representaciones, etc., que utiliza el profesor para ayudar a hacer comprensible su materia a los estudiantes. El propio Shulman se refería a estos aspectos: Dentro de la categoría del conocimiento didáctico del contenido incluyo los tópicos que se enseñan de forma más regular en un área, las formas más útiles de representación de estas ideas, las más poderosas analogías, ilustraciones, ejemplos, explicaciones y demostraciones ; en una palabra, las formas de representar y formular la materia para hacerla comprensible a otros (…). (Shulman, 1986, p. 9)

A continuación destacamos algunos resultados relacionados con las estrategias de enseñanza que pueden servir de referencia a los profesores en formación. Una línea de investigación que aporta notables resultados sobre las buenas prácticas docentes (cuadro 2, en página siguiente), es la comparación entre profesores de ciencias principiantes y expertos. Los profesores expertos tienen una reserva de conocimiento didáctico de la disciplina específica que les permite conocer las dificultades de aprendizaje de cada tema, estimular y motivar el aprendizaje de sus alumnos y desplegar un conjunto de estrategias y trucos del oficio dirigidas a facilitar el aprendizaje de sus estudiantes. Ser un experto es mucho más que tener experiencia, e implica ser reconocido como tal por los compañeros, administración, padres, alumnos y ex alumnos.

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Cuadro 2. Comparación entre profesores de ciencias principiantes y expertos

PROFESORES PRINCIPIANTES

PROFESORES EXPERTOS

• Tienen problemas de control y disciplina y pasan del descontrol al autoritarismo. • Sus clases están centradas en el profesor y la enseñanza. • Piensan globalmente globalmente sobre la clase: - No diagnostican las dificultades individuales. - Creen que todos los alumnos aprenden igual. • Su mayor preocupación preocupación es completar el programa. programa. • Sus métodos de enseñanza enseñanza son uniformes. uniformes. • Ofrecen explicaciones largas, con un ritmo demasiado rápido y con pocas pausas. • Ponen pocos ejemplos, analogías, esquemas, esquemas, etc. • Estructuran el contenido contenido por la lógica disciplinar (a menudo similar a la de la universidad). • Imparten clases lineales, con poca poca interrelación de conceptos. • Plantean preguntas preguntas de menor implicación implicación cognitiva. • Abogan por un aprendizaje más memorístico. • Piensan más en ellos mismos y en la enseñanza que en el aprendizaje de los estudiantes. • Revisan su actuación por su su autopercepción.

• Mantienen el control de la clase por el cambio de actividad del alumnado. • Imparten clases centradas en el alumnado y el aprendizaje. • Piensan en el aprendizaje individual: - Diagnostican las dificultades individuales. - Dirigen la actividad de cada alumno. • Priorizan de forma relevante el aprendizaje. • Métodos variados variados de enseñanza. enseñanza. • Ofrecen explicaciones cortas, más sencillas, centradas en los conceptos relevantes, con pequeñas pausas y con participación de los estudiantes. • Ponen más ejemplos, ejemplos, analogías, esquemas, etc. etc. • Estructuran el contenido contenido por la lógica del del aprendizaje. • Imparten clases cíclicas (repasos, resúmenes, etc.). • Plantean preguntas de mayor implicación cognitiva. • Abogan por un aprendizaje aprendizaje más comprensivo y sigsignificativo. • Mantienen un clima de clase constructivo constructivo en el que los estudiantes estén motivados. • Revisan su actuación actuación por el aprendizaje. aprendizaje.

Los prin princip cipian iantes tes suelen estar preocupados por ellos mismos, por mantener el control de la clase y por realizar una enseñanza ordenada, aunque no sepan si ésta produce realmente aprendizaje en sus estudiantes. En cambio, para los expertos lo fundamental es el aprendizaje de sus estudiantes y en ellos están centradas sus clases y sus acciones de enseñanza. Los expertos saben que para que la enseñanza genere aprendizaje tiene que conectar con los intereses del alumno, y para ello mantienen en la clase un clima constructivo en el que los estudiantes estén motivados. Estos profesores diagnostican las dificultades de aprendizaje de los estudiantes, los dirigen activamente y mantienen el control de la clase por medio de las actividades. Sus clases no son lineales sino cíclicas: relacionan con los temas y conocimientos previos, anticipan contenidos, realizan resúmenes, etc. Los expertos tienen métodos variados de enseñanza, prefieren las explicaciones sencillas, con pequeñas pausas que ayuden a los estudiantes a centrarse en los conceptos importantes, y despliegan más ejemplos, analogías y distintas formas de representación de los contenidos. Actualmente contamos ya con numerosos estudios sobre distintas formas de representación de los contenidos de ciencias (modelos, analogías, metáforas, ejemplos, gráficos, diagramas, dibujos, mapas conceptuales, simulaciones, etc.), que pueden servir de referencia al profesorado en formación. Formas de representación que tienen que adaptarse al grado de desarrollo


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de los estudiantes y a los distintos niveles de representación de las teorías científicas, unos observables y otros no (Treagust, 2007): en Química, entre lo macroscópico y lo microscópico; en Biología, entre lo macro (por ejemplo, plantas y animales), lo micro (células) y la bioquímica (ADN); en Física, entre lo macro (por ejemplo, movimiento de los cuerpos), lo invisible (fuerzas, reacciones) y el simbolismo matemático. Muchos trabajos sobre las distintas formas de representación están enmarcados en marcados en el análisis del discurso en el aula de ciencias, ya que el lenguaje es un mediador a través del cual se produce la comunicación, la enseñanza y el aprendizaje. Se han analizado las explicaciones del profesor, las demostraciones, los distintos tipos de diálogo e interacción entre el profesor y los alumnos, la dinámica de los grupos de trabajo de los estudiantes, la utilización del razonamiento inductivo y deductivo, la argumentación, etc. Las explicaciones utilizadas por los profesores de secundaria en las clases de ciencias han sido objeto de investigación en trabajos como el de Dagher y Cossman (1992), encontrándose diez tipos de explicaciones: analógicas, antropomórficas, funcionales, genéticas, mecánicas, metafísicas, prácticas, racionales, tautológicas y teleológicas. Los trabajos sobre la interacción profesor-alumno en las clases de ciencias de educación secundaria analizan desde la triada: «pregunta-respuesta-evaluación», en la que el profesor pregunta sobre el conocimiento proposicional y refrenda o rechaza las respuestas de los alumnos, hasta formas más complejas centradas en los estudiantes, que fomentan la interacción y la argumentación entre éstos. La argumentación, como justificación de las conclusiones a partir de las pruebas, es un aspecto crucial de la ciencia. En la actualidad el estudio de la argumentación, la forma en que los datos y las pruebas son usados en el razonamiento por los estudiantes (JiménezAleixandre y Díaz de Bustamante, 2003), es uno de los temas más destacados de la investigación en didáctica de las Ciencias (Lee, Wu y Tsai, 2009). La revista Alambique ha dedicado recientemente a este tema uno de sus números (AA.VV., 2009) y en él se encuentran ejemplos de prácticas innovadoras. Otro ejemplo de representación muy útil en las clases de ciencias de educación secundaria es el de las analogías. Una analogía es una comparación entre dos situaciones o dominios de conocimiento distintos, pero que mantienen una cierta relación de semejanza entre sí. Desde el constructivismo se considera que los significados se construyen de forma activa, relacionando lo nuevo con las ideas que se poseen, por un proceso generalmente analógico, como también sugiere el proceso de equilibración de Piaget. La propia ciencia utiliza habitualmente modelos analógicos en el contexto del descubrimiento descubrimiento (el modelo planetario para el átomo de Bohr o la doble hélice para el ADN), y cualquier profesor experto conoce la utilidad de las buenas analogías en las clases de ciencias. Por ejemplo, Raviolo y Garritz (2007) citan 56 analogías para el equilibrio químico y recomiendan elaborar inventarios de analogías para cada tema.

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Aunque ninguna estrategia sea la panacea que nos asegure el aprendizaje de los estudiantes, un extenso conocimiento de ellas permite a los profesores disponer de un mayor conocimiento didáctico del contenido y de más alternativas en el aula que podrán aplicar según su contexto particular particular y las circunstancias de cada clase. Igualmente, los estudios de caso de profesores de ciencias de educación secundaria considerados excelentes, que ya se encuentran en la bibliografía, no dan recetas sobre la enseñanza eficaz, pero ayudan al profesorado a reflexionar sobre su propia práctica, a contrastarla con lo que hacen profesore profesoress experimentados y a autorregula autorregularla. rla. Finalmente, unos comentarios sobre la evaluación, que será más extensamente desarrollada en otros capítulos. La evaluación no es la simple constatación de los conocimientos del alumnado, sino un instrumento de intervención educativa que condiciona qué se enseña y cómo, y qué y cómo aprenden los estudiantes (Sanmartí, 2007). La evaluación es un referente fundamental para el alumnado, que dedicará más tiempo y atención a lo que sabe que va a ser evaluado. Un modelo que nos parece de gran interés para las Ciencias experimentales es el propuesto por Jorba y Sanmartí (1994), basado en una perspectiva social constructivista y en el desarrollo de la metacognición del alumnado. En este modelo enseñar, aprender y evaluar están integrados y las actividades propuestas incluyen procedimientos de evaluación por el profesor, de autorregulación de los aprendizajes por parte de los propios estudiantes y de regulación mutua a partir de las interacciones sociales del aula.

El desarrollo profesional La experiencia profesional es la tercera fuente del CDC. A lo largo de sus años de enseñanza, el profesor de ciencias integra en una estructura única los diferentes componentes del conocimiento, desarrollando su propio conocimiento didáctico del contenido. Una etapa importantísima es la de iniciación a la docencia, ya que durante los primeros años de ejercicio profesional los profesores se ven sometidos a numerosas tensiones, dilemas y sobrecargas, y es cuando más se fijan las rutinas y estrategias de enseñanza. Por otra parte, los profesores principiantes son los que están más abiertos a los cambios y los que, con un adecuado programa de formación y tutoría por parte de profesores expertos, pueden enriquecer más fácilmente su conocimiento didáctico del contenido, asumiendo estrategias innovadoras. Éste fue el caso de una profesora de Física principiante, que participó en un programa de formación, orientado hacia la reflexión colaborativa (Peme y otros, 2009). Durante su primer año de docencia sus acciones en el aula sobre la construcción del conocimiento escolar estuvieron centradas en ella misma y apenas en los estudiantes (28%), un rasgo típico de los principiantes. El segundo año, se produjo un gran cambio y sus acciones pasaron a estar centradas en los estudiantes (80%), resultado que se consolidó en los cuatro años siguientes.


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Un cambio como el anterior rara vez ocurre en profesores con mucha experiencia, ya que éstos tienen orientaciones y conocimientos prácticos personales consolidados a lo largo de su actividad profesional y muy resistentes al cambio. Para los profesores con experiencia, la formación basada en cursillos de perfeccionamiento impartidos por expertos suele ser poco efectiva, y los cambios se producen más por la discusión y colaboración entre los participantes, que por la información transmitida en los cursos. Además, los profesores tienen poco tiempo disponible y la formación les supone un esfuerzo añadido y una sobrecarga de trabajo para algo que, en bastantes bastante s ocasiones, consideran poco relevante para lo que tienen que hacer diariamente en las clases. El resultado es que apenas se han transferido a las aulas de educación secundaria las investigaciones realizadas desde la didáctica de las Ciencias; por una parte, por el sistema de formación vigente hasta ahora, basado exclusivamente en los contenidos, y por otra, por un razonable escepticismo del profesorado hacia algo en lo que no se sentían directamente implicados. En los profesores con experiencia, la formación no hay que plantearla como un cambio, sino como un proceso interno de crecimiento crec imiento y de desarrollo gradual a partir de lo que ya piensan, sienten y hacen, a partir de la investigación/innovación de los problemas reales de enseñanza y aprendizaje de las distintas asignaturas de Ciencias, Ciencia s, potenciando y apoyando la motivación, la colaboración y el compromiso en su propio desarrollo profesional. Las actividades de investigación e innovación que tienen más capacidad formativa y más posibilidad de repercutir en la práctica no son las que se hacen «para» o «sobre» los profesores, sino las realizadas «por» y «con» los profesores en equipos interdisciplinarios e internivelares, en los que el profesor no es un consumidor de conocimientos externos, sino un coproductor de los mismos sobre los problemas que realmente le preocupan en sus clases (Mellado, 2003). Las experiencias basadas en la investigación-acción y en la metacognición van en esta línea (Bañas y otros, 2009; Vázquez, Jiménez y Mellado, 2007). La investigación-acción de situaciones y problemas relevantes de la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias de sus propias clases favorece el desarrollo profesional, gracias a la acción cooperativa que implica y al trabajo en equipo mediante los cuales el profesor analiza los problemas que le preocupan y toma decisiones para mejorar la práctica educativa. El desarrollo profesional se estimula mediante procesos sucesivos de autorregulación metacogenseñanza/aprendizaje de las nitiva basados en la reflexión y comprensión de los problemas de enseñanza/aprendizaje ciencias. Esto supone tomar conciencia de los problemas de enseñanza y aprendizaje que pueden ser mejorables, elaborar nuevas actividades, recursos, estrategias y propuestas de enseñanza, ponerlos en práctica, reflexionar sobre su enseñanza y sobre los resultados en el aprendizaje de los estudiantes, contrastarlos con otros casos y volver a revisarlos y a autorregularlos.

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Por otra parte, el desarrollo profesional tiene que ir unido al personal y al social (Bell y Gilbert, 1994), teniendo en cuenta los aspectos emocionales y afectivos, fomentando la colaboración constructiva, fortaleciendo la cultura de los centros y construyendo sobre las buenas prácticas que los profesores estén ya realizando. El profesor está integrado en un centro y es muy difícil que el cambio se realice, y sobre todo, que se consolide de una forma individual y a contracorriente de la cultura educativa del centro (Sánchez y Valcárcel, 2000).

Reflexión final La implantación del máster de educación secundaria es una esperanza para mejorar la formación del profesorado de esta importante etapa. Sin embargo, la formación empieza antes del máster y continúa después. El reto de la formación inicial es dotar al profesorado de los criterios, del pensamiento creativo y crítico y de las herramientas que le ayuden a construir un sistema efectivo de autorregulación para continuar formándose autónomamente durante toda su vida profesional (Sanmartí, 2001). El máster es también una excelente oportunidad para que el profesorado se inicie en actividades de investigación/innovación didáctica en colaboración con profesores expertos. Finalmente, destacar la importancia de la metodología que se utilice en las distintas asignaturas del máster, ya que para los futuros profesores es importante lo que ven hacer en clase, más quizá que lo que se les diga que hay que hacer. Munby y Russell (1998) señalan la inconsistencia y escasa repercusión práctica de los programas de formación en los que implícita o explícitamente se transmite el mensaje: «Haz lo que digo y no lo que hago».

ACTIVIDAD ¿Cómo captar el conocimiento didáctico del contenido del profesorado?

Obtener el CDC del profesorado no es tarea fácil, porque es un conocimiento profesional complejo y esencialmente personal y práctico. Sólo a partir de una variedad de instrumentos que recojan distintas situaciones del profesor podrá obtenerse una visión del mismo. A continuación damos un ejemplo de uno de estos instrumentos, la tabla representación del contenido (ReCo) elaborada por Loughran, Mulhall y Berry (2004). Esta herramienta representa el modo en que los profesores enfocan la enseñanza de un tema específico y ofrece una visión global del mismo en forma de proposiciones. Para obtener la representación del contenido, el profesor establece las ideas o conceptos centrales del tema que va a enseñar, y para cada idea se establecen preguntas derivadas de los componentes del CDC.


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En el cuadro 3 incluimos la tabla ReCo reelaborada por Andoni Garritz y Clara Alvarado. Te pro ponemos las siguientes tareas: • Elige un tema que se imparta durante las prácticas de enseñanza. • Selecciona los conceptos e ideas centrales del tema (en el cuadro se han puesto tres, pero pueden ampliarse). • Responde a las preguntas para cada concepto o idea central seleccionados. Cuadro 3. Tabla ReCo (representación del contenido)

RECO

IDEAS CENTRALES SOBRE EL TÓPICO ESPECÍFICO

1. ¿Por qué es importante que los estudiantes aprendan esta idea o concepto? 2. ¿Qué intenta que los estudiantes aprendan alrededor de esta idea? 3. ¿Qué conocimientos sobre la historia, la epistemología y la filosofía de este concepto conoce? 4. ¿Qué aspectos del entorno cotidiano son importantes en la enseñanza de este concepto? 5. ¿Cuáles son las dificultades y limitaciones conectadas a la enseñanza de esta idea? 6. ¿Cuáles son las dificultades y limitaciones conectadas al aprendizaje de esta idea? 7. ¿Qué conocimientos acerca de los problemas conceptuales, procedimentales y actitudinales de los alumnos, influyen en la enseñanza de este concepto? 8. ¿Qué procedimientos y recursos (analogías, metáforas, ejemplos, vídeos, demostraciones, simulaciones, actividades prácticas, etc.) emplea para que los alumnos se motiven y se comprometan con el concepto?

El propósito general del instrumento ReCo es ayudar a los profesores a codificar su conocimiento y su pensamiento docente sobre las ideas científicas seleccionadas, así como reflexionar sobre su modelo didáctico y hacer explícito lo que en muchos casos es implícito. Una vez elaborada la tabla, como profesor: • Relaciona tus respuestas con los componentes del CDC. • Contrástala con las descritas en otros trabajos. • GARRITZ, A. y TRINIDAD-VELASCO, R. (2004). El conocimiento pedagógico del contenido, Educación Química, 15 (2), 98-102. • GARRITZ, A. y TRINIDAD-VELASCO, R. (2006). El conocimiento pedagógico de la estructura corpuscular de materia. Educación Química, 17 (número extraordinario), 236-263.

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2. UNIDADES DIDÁCTICAS Y PROYECTOS DE CALIDAD EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA


• Indagación y modelización sobre las propiedades acústicas de los materiales en el proyecto curricular «Materials Science» • «Ciencia para el siglo XXI»: un proyecto inglés para la enseñanza de las ciencias a alumnos de 14-16 años. Las unidades de Física • Física en contexto en el bachillerato: «Física Salters» y «Advancing Physics»

Digna Couso, María Isabel Hernández, Roser Pintó, Fina Guitart, Octavi Plana

En este capítulo se presentan varias unidades didácticas y proyectos de gran interés para la enseñanza de la Física, que tienen en común la contextualización de los contenidos y el enfoque indagatorio. En primer lugar, se describen los criterios de elaboración y los resultados de la experimentación de una unidad didáctica sobre las propiedades acústicas de los materiales; posteriormente, se presenta el proyecto «Ciencia para el siglo XXI» y, en particular, sus unidades de Física. Por último, estudiaremos los proyectos de Física para el bachillerato «Física Salters» y «Advancing Physics»: • «Las propiedades acústicas de los materiales» es una secuencia didáctica que forma parte del proyecto curricular europeo «Materials Science». El enfoque pedagógico aúna indagación y modelización y se basa en los resultados de la investigación didáctica, a la vez que ella misma es objeto de estudio. La secuencia ha sido elaborada por un grupo del Centre de Recerca per a l’Educació Científica i Matemàtica (CRECIM) de la Universidad Autónoma de Barcelona y está diseñada para alumnos de 14-16 años. • «Ciencia para el siglo XXI» («Twenty First Century Science») es un proyecto inglés de enseñanza de las ciencias para estudiantes de 14-16 años, desarrollado por el grupo de didáctica de las Ciencias de la Universidad de York y el programa curricular Nuffield. Aborda tanto las explicaciones que ofrece la ciencia como las ideas que la sociedad tiene sobre ella, desde una perspectiva de alfabetización científica.

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• «Física Salters» y «Advancing Physics» son dos proyectos de «Física en contexto» para el bachillerato. El primero es una adaptación del proyecto inglés «Salters Horners Advanced Physics» de la Universidad de York, y el segundo ha sido elaborado por el Instituto de Física de Londres.

UNIDADES DIDÁCTICAS Y PROYECTOS DE CALIDAD EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA

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Indagación y modelización sobre las propiedades acústicas de los materiales en el proyecto curricular «Materials Science» Digna Couso María Isabel Hernández1 Roser Pintó

Centre de Recerca per a l’Educació Científica i Matemàtica (CRECIM). Universidad Autónoma de Barcelona

Investigación y diseño curricular en el proyecto «Materials Science» A pesar de lo mucho que se ha publicado y discutido sobre la desconexión entre teoría y práctica en el campo de la didáctica de las Ciencias, son todavía pocas las iniciativas que establecen vínculos auténticos entre los ámbitos de investigación, innovación y docencia. Con el objetivo de aportar experiencias en esta dirección, el proyecto de investigación y diseño curricular «Materials Science»2 ha desarrollado y evaluado secuencias de enseñanza y aprendizaje (SEA) sobre diferentes propiedades de los materiales. Estas secuencias, realizadas en cinco países europeos, están basadas en resultados de investigación en didáctica y son, a su vez, objeto de investigación en el seno del proyecto. Como característica principal, estas SEA comparten el enfoque de enseñanza y aprendizaje de las ciencias basado en la indagación. En el contexto del equipo de Barcelona, formado por un grupo de profesores y profesoras de ciencias de secundaria e investigadores en didáctica de las Ciencias, la SEA presentada se ha realizado en ciclos iterativos de diseño, implementación, evaluación y refinamiento durante tres cursos escolares consecutivos.3 Para evaluar su eficacia, se han definido las expectativas y se han comparado con los resultados alcanzados por los estudiantes. Las dificultades del profesorado que ha implementado la secuencia también se han tenido en cuenta a la hora de mejorarla. Como resultado, se ha obtenido la SEA diseñada y validada por profesores e investigadores bajo criterios de investigación educativa (DBR Collective, 2003) que presentamos a continuación.

La secuencia didáctica «Propiedades acústicas de los materiales» La SEA diseñada por el grupo de Barcelona (MSB, 2009) se ha orientado al análisis de la relación entre las propiedades físicas y la estructura interna de los materiales reflectores y

1. M.I. Hernández ha participado en este proyecto respaldada por el MICIIN bajo el programa de becas predoctorales FPU. 2. El proyecto «Materials Science» ha sido financiado por la Comisión Europea, DG Research, Science & Society (S&S-16-042942). 3. Cursos 2007-2008, 2008-2009 y 2009-2010, este último actualmente en proceso.

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absorbentes acústicos con respecto a la atenuación del sonido. Está elaborada para alumnos de segundo ciclo de la educación secundaria obligatoria (ESO) (14-16 años). El sonido es un tema clásico de la física, presente en la mayoría de los programas escolares, y se han detectado multitud de concepciones alternativas (para una revisión, véase Hernández, 2008). La relación entre el sonido y la problemática de la contaminación acústica se trata también en muchos programas curriculares con un enfoque CTS o de ciencia en contexto, generalmente centrados en analizar el problema y las soluciones tecnológicas disponibles. La SEA aquí presentada da otra dimensión a esta temática, al introducir ideas de ciencia de materiales con el fin de que los alumnos sean capaces de buscar soluciones para atenuar el sonido y puedan utilizar conocimientos tanto de la física del fenómeno, como de la estructura y propiedades de los materiales. En este sentido, vincula contenidos de Física y Química, trata los fenómenos de interacción sonido-materia (reflexión, atenuación, absorción) y las propiedades de los materiales, relacionadas con su comportamiento acústico (densidad, porosidad y rigidez) a nivel tanto macroscópico como de estructura interna.

El enfoque didáctico de la secuencia: la indagación centrada en la modelización En las últimas décadas numerosas investigaciones en didáctica de las Ciencias han evidenciado dos problemáticas centrales de la enseñanza de esta materia: falta de comprensión conceptual de los alumnos y presencia de una visión limitada y, en ocasiones, inapropiada de la naturaleza de la ciencia. Para superar esta situación, se han propuesto enfoques didácticos centrados en involucrar a los estudiantes de manera activa, tanto en la comprensión de los modelos centrales de la ciencia (lo esencial que se debe saber) como en la participación en prácticas científicas más auténticas (lo que se hace para saberlo). Desde nuestro enfoque, estas últimas son, esencialmente, la modelización y la indagación, que están necesariamente relacionadas entre sí. De este modo, la construcción y el uso de modelos conceptuales de los alumnos se realizaría mediante el cuestionamiento e indagación de la realidad en situaciones problemáticas e interesantes para ellos. Este punto de vista lo denominamos indagación centrada en la modelización. ¿Qué modelos?

Windschitl, Thompson y Braaten (2008, p. 943) señalan que la actividad esencial del trabajo de investigación de los científicos gira en torno al desarrollo de explicaciones basadas en evidencias sobre cómo funciona el mundo. Compartimos esta visión y es por ello que consideramos que la indagación en las clases de ciencias debe dirigirse hacia la construcción y el refinamiento de modelos conceptuales de objetos, fenómenos o procesos del mundo natural (Glynn y Duit, 1995). Entendemos por tales las representaciones cognitivas que elaboran los individuos y que, en su desarrollo final, deben ser consistentes con los modelos objeto de aprendizaje (los modelos científicos escolares) y, a su vez, en la mayoría de oca-


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siones, con los construidos por consenso en la comunidad científica (modelos científicos). Los modelos conceptuales dan cuenta tanto de características observables del fenómeno que representan, como de propiedades o mecanismos no directamente observables por su inaccesibilidad o naturaleza conceptual, pero que permiten explicar rasgos del fenómeno. En el caso de nuestra SEA, estos modelos conceptuales son tanto el modelo de comportamiento energético del sonido en materiales reflectores y absorbentes acústicos, como los modelos de propiedades macroscópicas y de configuraciones atómicas de estos mismos materiales. ¿Qué indagación?

El enfoque didáctico de indagación centrada en la modelización no sólo promueve que el alumnado elabore, utilice, compare, evalúe y refine modelos conceptuales, sino que realice esto mediante el cuestionamiento, reflexión, diseño y puesta en práctica de procesos de resolución de problemas y planes experimentales. Estas últimas actividades de tipo procedimental no se refieren a simples ejercicios o meras actuaciones manipulativas, sino que involucran estrategias de pensamiento de orden superior que pueden resultar complejas y muy exigentes para los alumnos. En este sentido, consideramos necesario que las actividades de una SEA de indagación centrada en la modelización ofrezcan una guía gradual (Llewellyn, 2005). Con el fin de promover que los alumnos sean, paulatinamente, más autónomos en la construcción y uso de los modelos conceptuales abordados, la secuencia sigue una progresión desde actividades de indagación guiadas hasta propuestas más abiertas. El argumento para proponer este tipo de indagación guiada progresiva es que los alumnos necesitan familiarizarse con la problemática planteada, los modelos conceptuales a aplicar, los instrumentos y procedimientos experimentales, etc. Cuando los estudiantes ya manejan con soltura algunos modelos, estrategias, instrumentos y procedimientos pueden aplicar estos conocimientos en la resolución de problemas más abiertos y hacerlo de forma más autónoma. ¿Qué contextualización?

Cualquier proceso de indagación o modelización necesita un contexto fenomenológico (suceso, pregunta, problema) que le otorgue sentido. Por ello, la secuencia está contextualizada en torno a una situación problemática compleja y socialmente relevante que resulta significativa para los estudiantes. Se trata del problema de contaminación acústica causado por un bar musical, debido a una mala insonorización del mismo. En este escenario, y al inicio de cada actividad, se plantean preguntas-guía con un doble propósito: • Explicitar las ideas de los alumnos en torno a los diversos conceptos o fenómenos. • Facilitar la apropiación de los objetivos de cada capítulo o actividad.

La relación entre indagación y modelización en nuestra propuesta: ejemplos En el enfoque didáctico de indagación centrada en la modelización, la relación entre ambas estrategias docentes es bidireccional y compleja. En este sentido, no planteamos la indaga-

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ción como el mero contexto de aprendizaje donde el objeto de enseñanza es el modelo, sino que entendemos que ambos procedimientos, modelizar e indagar, deben afrontarse conjuntamente para que se consiga el aprendizaje, tanto de los modelos esenciales como de las formas de indagar de la ciencia. Los cuadros 1 a 3 muestran, de manera concisa, los modelos conceptuales que se deben construir a lo largo de la secuencia y explicitan las preguntas-guía que orientan su construcción y uso, así como algunas actividades de indagación. El objetivo de esta selección de actividades es caracterizar tres ejemplos de posibles relaciones entre modelización e indagación: • El uso del modelo inicial del cual se pueden derivar propuestas de indagación experimental (cuadro 1). • El uso de la indagación experimental para colegir refinamientos del modelo (cuadro 2, en página siguiente). • El trabajo de refinamiento teórico del modelo más cercano al científico para cerrar la indagación y solucionar el problema (cuadro 3, en p. 39). El cuadro 1 muestra la secuencia de preguntas planteadas a los alumnos para que refinen su modelo inicial sobre atenuación del sonido en materiales. En el modelo revisado, los alumnos incorporan la reflexión y la absorción como mecanismos de atenuación del sonido y, de este modo, diferencian los materiales según su comportamiento acústico en reflectores y absorbentes. Esto les permite idear y llevar a cabo un experimento para determinar la atenuación del sonido que logra un material concreto. Cuadro 1. Propuestas de indagación experimental a partir de la modelización en función de los mecanismos de atenuación del sonido y de la energía

MODELIZACIÓN

INDAGACIÓN

Modelo de material aislante acústico en términos ¿Cómo podemos atenuar el sonido que llega a los de los mecanismos de atenuación del sonido, para vecinos desde el bar musical? predecir y explicar cómo se distribuye la energía asociada al sonido cuando éste llega a un material. Representación de los modelos (preliminares), ex- ¿Qué le pasa al sonido emitido por el altavoz cuando presados por la mayoría de alumnos, sobre la ate- llega a las paredes del bar musical? nuación del sonido en materiales. Sonido incidente

Sonido reflejado

Sonido transmitido

Material


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Representación del modelo en términos de energía, ¿Por qué la música se oye con menor intensidad en construido en clase (refinado). el exterior del bar? ¿Cómo podemos evitar el ruido excesivo que causa la música en el exterior del bar? Energía del sonido incidente Energía absorbida

Energía del sonido transmitido Energía del sonido reflejado

¿Cómo podemos determinar la atenuación del sonido conseguida en casa de los vecinos, al instalar un Aplicación de este modelo refinado para elaborar determinado material en el bar musical? otro de material aislante acústico según su compor- Uso del modelo inicial para diseñar el experimento (dónde medir, qué medir). tamiento (reflector y absorbente). Material

El cuadro 2 también parte del modelo inicial de los alumnos, en este caso de los materiales reflectores y absorbentes acústicos en términos de sus propiedades. Sin embargo, en el caso de esta unidad, se orienta a los estudiantes a lo largo de una serie de actividades experimentales de indagación con el fin de analizar el comportamiento y las propiedades de los materiales reflectores y absorbentes acústicos, para que induzcan aspectos del modelo y se vean abocados a refinar sus modelos iniciales. Cuadro 2. Propuestas de indagación a partir de la modelización en función de las propiedades físicas del material

MODELIZACIÓN

INDAGACIÓN

Modelo de reflector acústico y absorbente acús- ¿Cómo podemos distinguir un material reflector tico en términos de sus propiedades físicas, para acústico de un absorbente acústico? predecir y explicar cómo se atenúa el sonido (por reflexión o absorción) en un material. Modelo (preliminar) expresado por los alumnos de ¿Qué propiedades consideras que tienen los matereflector acústico y de absorbente acústico en tér- riales reflectores acústicos que hacen que se comminos de sus propiedades. porten como tales?, ¿y los absorbentes acústicos? No se diferencia entre propiedades físicas de materiales (por ejemplo, densidad), estructura interna (separación entre partículas, etc.) y características de objetos (grosor, etc.).

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Aplicación y evaluación del modelo preliminar.

¿Qué materiales se comportarán como absorbentes acústicos?, ¿y como reflectores acústicos? Modelo (refinado) de reflector acústico y absorbente ¿Cómo podemos comprobar si un material se comacústico en términos de propiedades físicas. porta como absorbente acústico o reflector acústico? Absorbentes acústicos

Densidad baja Flexibilidad Porosidad ¿Qué propiedades tienen en común los materiales reflectores acústicos probados?, ¿y los absorbentes acústicos?

La secuencia de actividades de indagación, orientada a revisar el modelo preliminar de los alumnos, es la siguiente: 1. Predicción del comportamiento acústico de ciertos materiales (espuma de poliuretano, lana de roca, fieltro, madera con formica, plancha de aluminio) en base al modelo preliminar. 2. Diseño y realización de un experimento para distinguir materiales reflectores y absorbentes acústicos. Consiste en medir con un sonómetro el nivel de intensidad sonora en el interior de una caja de cartón forrada de un determinado material; en ella se ha colocado una fuente sonora de intensidad constante. Como referencia se toma la intensidad en el interior de la caja sin forrar. Cuando el valor medido es superior al de referencia, podemos concluir que el material refleja el sonido; en caso contrario, si el valor medido es inferior, el material absorbe el sonido. 3. Clasificación empírica de los materiales en reflectores y absorbentes acústicos. 4. Descripción de las propiedades físicas de estos materiales en base a la observación y manipulación (medida de densidad, observación de la porosidad con lupa binocular, etc.). 5. Distinción entre propiedades de objetos y de materiales. 6. Interpretación de las propiedades físicas que tienen en común los reflectores acústicos y las que comparten los absorbentes acústicos. El cuadro 3 (en página siguiente) muestra la secuencia de preguntas-guía y analogías utilizadas para facilitar a los alumnos la revisión teórica de sus modelos iniciales en torno a la estructura interna de los materiales reflectores y absorbentes acústicos. El propósito de esta unidad es promover que los alumnos desarrollen explicaciones sobre cómo deben estar configurados internamente los materiales para que se comporten de una determinada manera ante el sonido. Al final de la secuencia, los estudiantes deben aplicar los anteriores modelos conceptuales en el diseño y realización de una investigación abierta y concluir qué


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materiales serían más adecuados para acondicionar acústicamente diferentes espacios de un bar musical. Cuadro 3. Refinamiento teórico del modelo en función de la estructura interna del material

MODELIZACIÓN

INDAGACIÓN

Modelo de reflector acústico y de absorbente acústico en términos de su ¿Cómo podemos explicar

estructura interna, para predecir y explicar cómo ciertas propiedades de un que las propiedades de un material influencian su capacidad de atenuar el sonido. material influyan en su comportamiento acústico? Modelo (preliminar) de reflector acústico y absorbente acústico según su densidad, rigidez y porosidad en términos de su estructura interna. En el modelo preliminar, la estructura interna de los materiales se describe, mayoritariamente, en términos de la separación entre partículas y del número de éstas.

¿Cómo consideras que son por dentro los materiales reflectores acústicos? ¿Y los absorbentes acústicos?

Introducción de una analogía entre las partículas que forman un material ¿Qué significa que un may las bolas de billar, además de una restricción (están unidas por muelles). terial sea más denso/rígido/ poroso a nivel de su estructura interna? ¿Cómo te imaginas que la densidad/rigidez/porosidad de un material afecta a su comportamiento acústico?

Introducción del punto de vista de la ciencia. Refinamiento del modelo preliminar.

Consideraciones finales Nuestra propuesta se aleja de otras visiones comunes en la literatura de enseñanza de las ciencias, en las que la indagación se entiende como un mero proceso experimental desconectado del modelo; o bien se confunde aprendizaje por indagación con aprendizaje por descubrimiento, y se propone a los alumnos que descubran los modelos mediante indagación. También se aleja de las propuestas que se centran sólo en la modelización y olvidan la indagación como aspecto esencial de la práctica científica. Consideramos que la esencia de la indagación reside en el cuestionamiento y reflexión individual sobre los fenómenos del mundo mediante evidencias, con el fin de explicarlos y actuar sobre ellos mediante la elaboración y el uso de modelos conceptuales. Concebimos el aprendizaje de ambos procesos, en contextos problemáticos cercanos a los alumnos, como el objeto principal de las clases de ciencias. Aunque escapa a los límites de este texto describir estrategias docentes concretas, las implementaciones de esta SEA evidencian que un buen enfoque didáctico en el material docente

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no es suficiente. En el aula de ciencias, orientada a favorecer los procesos de indagación y modelización, la interacción entre alumnos y profesor, así como entre los propios estudiantes es central. En este sentido, el enfoque de indagación centrada en la modelización implica no sólo utilizar SEA adecuadamente, sino también estrategias de interacción que guíen estos procesos. Reconocemos que el enfoque didáctico que proponemos puede representar un reto para muchos profesores porque requiere un conocimiento profundo de los contenidos tratados, así como de habilidades para promover la participación de los alumnos y facilitar la organización de sus ideas. Sin embargo, esperamos que ejemplos de SEA diseñadas y evaluadas como la de «Propiedades Acústicas de los Materiales», que aquí presentamos, puedan resultar útiles a la hora de enfocar el diseño, adaptación e implementación de este nuevo enfoque en el aula de ciencias.


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«Ciencia para el siglo XXI»: un proyecto inglés para la enseñanza de las ciencias a alumnos de 14-16 años. Las unidades de Física Fina Guitart

Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias. Departamento de Educación. Generalitat de Catalunya El currículo inglés anterior al año 2000 presentaba la ciencia como un cuerpo de conocimientos que otorgaba un énfasis excesivo a los conceptos, que era poco relevante para las necesidades futuras de los jóvenes y que prestaba poca atención a las ideas sobre la naturaleza de la propia ciencia. El documento marco que dio lugar al nuevo currículo fue el informe Beyond 2000 (Millar y Osborne, 1998), que partió de la reflexión en torno a cuatro preguntas clave sobre: • La situación de la enseñanza de las ciencias en aquel momento. • La educación científica que necesitan los alumnos a inicios del siglo XXI. • El tipo de contenido y estructura que debe tener el currículo para dar respuesta a la educación científica de todos los jóvenes. • Los problemas que podrían surgir al aplicar este tipo de currículo. Uno de los proyectos que ha sido elaborado de acuerdo con estas directrices es «Ciencia para el siglo XXI» («Twenty First Century Science») (Burden, 2005; Burden y otros, 2006), para alumnos de 14-16 años, desarrollado en colaboración con el grupo de didáctica de las Ciencias de la Universidad de York (The University of York Science Education Group) y el programa curricular Nuffield («Nuffield Foundation Curriculum Programme»). Se trata de un proyecto flexible y con diversas posibilidades de elección, que consta de varios cursos para dar respuesta a los distintos intereses, aspiraciones y necesidades del alumnado, con la doble finalidad de enseñar ciencia para todos, y ciencia para futuros científicos y profesionales afines. Otra característica del proyecto es la integración de los conceptos o explicaciones de la ciencia con las ideas sobre la misma. El proyecto presenta las ideas mediante narraciones o historias explicativas, en los que se destaca que la finalidad de la ciencia es dar respuesta a preguntas susceptibles de ser investigadas. Estas narraciones pretenden interesar al alumnado y presentar las principales ideas de la ciencia de manera coherente, sin perderse en los detalles y con énfasis en la comprensión de conceptos interrelacionados. El hecho de centrarse sólo en los aspectos básicos deja tiempo suficiente para actividades de aprendizaje que fomenten el debate, la reflexión y el análisis crítico.

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Las ideas sobre la naturaleza de la ciencia tienen un papel destacado en este proyecto. Los autores consideran que el currículo debería proporcionar a los jóvenes la comprensión de algunas ideas clave respecto a cómo se ha generado un conocimiento fiable sobre el mundo natural y de cómo se desarrolla la investigación científica. Este saber puede ayudar a los alumnos a ser críticos con las noticias científicas aparecidas en los medios de comunicación, a comprender los múltiples debates científicos, y a ser conscientes de las dificultades que presenta la obtención de datos fiables. El proyecto contiene actividades de estudio de casos basados en controversias históricas y actuales de carácter científico, y también actividades de tipo experimental. Éstas ponen de manifiesto la complejidad de la aplicación del conocimiento científico en situaciones reales y permiten a los alumnos mejorar su capacidad de comprensión de las relaciones entre las pruebas y las explicaciones, la diferencia entre correlación y causalidad, y el concepto de riesgo.

Estructura del proyecto y descripción de los cursos El proyecto consta de tres cursos. El primero (Ciencia básica) es común para todos los alumnos; los otros dos (Ciencia adicional y Ciencia adicional aplicada) son optativos, pero se espera que un 90% del alumnado escoja uno de ellos. Cada curso consta de una serie de unidades o módulos que integran ideas de la ciencia (explicaciones) y reflexiones sobre la naturaleza de la misma. Además de los libros de texto, el proyecto cuenta con cuadernos de actividades y con una guía didáctica donde se pueden encontrar orientaciones metodológicas para el profesorado y propuestas de actividades de evaluación. El curso Ciencia básica (Science Foundation) es la parte del proyecto dirigida a todo el alumnado de la etapa 14-16 años y cubre un 10% de tiempo global del currículo. El objetivo de este curso es la alfabetización científica de los alumnos. Consta de nueve unidades: tres de Física (F), tres de Química (C) y tres de Biología (B), cuyos títulos se muestran en el cuadro 4. Cuadro 4. Unidades del curso Ciencia básica del proyecto «Ciencia para el siglo XXI»

CIENCIA BÁSICA Física

Química

Biología

F1 La Tierra en el universo.

C1 La calidad del aire.

B1 Tú y tus genes.

F2 Radiación y vida.

C2 La elección de materiales.

B2 Mantenerse sano.

F3 Materiales radiactivos.

C3 La alimentación es importante.

B3 Vida en la Tierra.


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Después de Ciencia básica (Science Foundation), los alumnos pueden optar por uno de los dos cursos que cubren otro 10% del tiempo global dedicado al currículo. Una de las opciones es Ciencia adicional (Additional Science ), y la otra es Ciencia adicional aplicada (Additional Applied Science). El curso Ciencia adicional centra la atención en los conceptos fundamentales y proporciona una base adecuada a los alumnos que deseen continuar estudios en el ámbito científico. Consta de nueve unidades: tres de Física (F), tres de Química (C) y tres de Biología (B), cuyos títulos se muestran en el cuadro 5. Cuadro 5. Unidades del curso Ciencia adicional del proyecto «Ciencia para el siglo XXI»

CIENCIA ADICIONAL Física

Química

Biología

F4 Explicar el movimiento.

C4 Regularidades químicas.

B4 Homeostasis.

F5 Circuitos eléctricos.

C5 Productos químicos del medio ambiente natural.

B5 Crecimiento y desarrollo.

F6 El modelo ondulatorio de la radiación.

C6 Síntesis química.

B6 Cerebro y mente.

El curso Ciencia adicional aplicada se centra en la utilidad práctica de la ciencia y en los ámbitos profesionales relacionados con la misma. Consta de tres módulos que acercan el mundo profesional a los alumnos y que hacen énfasis en los procedimientos operativos (estándar) de la ciencia. Los estudiantes eligen tres de los seis módulos disponibles. Los títulos que constituyen el curso Ciencia aplicada se citan a continuación: «A1 Cuidar la vida»; «A2 Agricultura y alimentación»; «A3 Detección científica»; «A4 Aprovechamiento de los productos químicos»; «A5 Comunicaciones» y «A6 Materiales y rendimiento». El proyecto ofrece también la posibilidad de cursar la modalidad de Ciencias por separado (Física, Química y Biología). En los cursos de Ciencias separadas, los alumnos estudian las tres unidades correspondientes de Ciencia básica, las tres unidades de Ciencia adicional (de la materia correspondiente), y una séptima unidad complementaria para cada una de las tres ciencias, cuyos títulos son: «F7 Observando el universo»; «C7 Química para un mundo sostenible», y «B7 Biología de un ecosistema». A esta modalidad se la denomina Triple ciencia. El formato modular aumenta la flexibilidad del proyecto, de manera que el alumnado puede modificar su elección si considera que no ha sido la adecuada. Además, los estudiantes que lo necesiten puede optar por el Nivel inicial (Entry Level ), si no están suficientemente preparados para iniciar el curso Ciencia básica.

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La Física en el proyecto «Ciencias para el siglo XXI» A continuación se describen las unidades de Física del proyecto «Ciencias para el siglo XXI», que se muestran en el cuadro 6. Cuadro 6. Unidades de Física del proyecto «Ciencia para el siglo XXI»

CURSO

UNIDADES RELACIONADAS CON LA FÍSICA

Ciencia básica

F1 La Tierra en el universo.

F2 Radiación y vida.

Ciencia aplicada

A5 Comunicaciones.

A6 Materiales y rendimiento.

Ciencia adicional

F4 Explicando el movimiento.

F5 Circuitos eléctricos.

Triple ciencia

F7 Observando el universo.

F3 Materiales radioactivos.

F6 El modelo ondulatorio de la radiación.

El tratamiento de la Física en el curso Ciencia básica Las unidades de Física del curso Ciencia básica presentan narraciones en las que se debaten cuestiones como el origen del universo y de la Tierra; los distintos tipos de radiación y sus efectos en la vida y en el planeta; las aplicaciones de la radiactividad en medicina, y las centrales nucleares de fisión. En ellas se pone de manifiesto qué es y cómo se construye el conocimiento científico y de qué modo los científicos recaban información y construyen teorías. «F1 La Tierra en el universo» La narración de esta unidad presenta los fenómenos naturales como el punto de partida para introducir las teorías del ciclo de las rocas, la deriva continental, la teoría de la expansión de suelos oceánicos y la teoría de la tectónica de placas. Se aborda el ciclo de vida de las estrellas, la fusión nuclear y el origen de los elementos más comunes en el universo; además, se describen métodos para determinar las distancias entre estrellas, basados en el efecto de paralaxis y en el brillo aparente de las estrellas; también se abordan las técnicas basadas en el efecto de la gravedad para el estudio del movimiento de los planetas, y se relacionan los descubrimientos de la radiación de fondo cósmica y el desplazamiento al rojo con la teoría del Big B ang y la edad del universo y con los distintos modelos del mismo. Se introducen ideas sobre la ciencia, como la importancia de las evidencias, las distintas maneras de interpretar y relacionar, y el papel de la comunidad en el contraste de datos y explicaciones, que hacen de la ciencia un cuerpo de conocimiento fiable. «F2 Radiación y vida» Esta unidad pone de manifiesto diversas interacciones de la radiación con la vida, el planeta y las necesidades de la sociedad actual. Desde el punto de vista de las ideas de la ciencia, se introduce un modelo sencillo para la radiación que distingue entre fuente (emisión), receptor (absorción) y transmisión, e introduce el concepto de fotón con distintos valores de energía según el tipo de radiación . También se interpreta el efecto invernadero, en base a las radiaciones IR, y la presencia de gases de efecto invernadero; además, se debate la relación entre los niveles de CO2 y el cambio climático. Se destaca, después, el papel de la radiación como transmisora de información en


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el caso de los mandos a distancia, las ondas de TV y radio o los teléfonos móviles. En cuanto a las ideas sobre la ciencia, se promueve la reflexión y el debate sobre las conductas de riesgo asociadas a la exposición a la luz solar; se trabaja la correlación causa-efecto en el análisis de casos de cáncer de piel, y se relacionan éstos con los peligros de la disminución de la capa de ozono. Se pone de manifiesto la percepción social de la radiación asociada al riesgo en el caso del uso de los teléfonos móviles y de los rayos X, que son un tipo de radiación ionizante. Se introduce el significado de riesgo y el principio de precaución (ALARA) que propone medidas para disminuir el riesgo antes de una actuación, a la vez que se ha de tener en cuenta que el riesgo nunca es cero y que hay que reflexionar sobre la relación riesgo/beneficio.

«F3 Materiales radioactivos» Esta unidad se centra en dos aplicaciones muy importantes de los materiales radioactivos, su utilización para obtener electricidad en reactores nucleares y las aplicaciones médicas de los isótopos radioactivos. La narración utiliza el contexto de la medicina (sus pruebas diagnósticas y tratamientos), así como el de las necesidades energéticas de la sociedad actual, la eficiencia de la electricidad y l os procesos para generarla. Se introducen los conceptos de radiactividad, desintegración radioactiva, isótopo, inestabilidad nuclear, radiación alfa, beta y gamma, series radioactivas e isótopos para uso en medicina. Se aborda, también, la idea de radiación de fondo natural y sus causas. Además, se trabajan los conceptos de fisión nuclear y funcionamiento de los reactores, control de la reacción en cadena, accidentes en centrales nucleares y residuos (origen y peligrosidad), y se compara la energía nuclear con otras fuentes primarias. Se hace especial énfasis en las relación riesgo-beneficio, el principio de precaución (ALARA) y la toma de decisiones; por ejemplo, en el ámbito de las pruebas de diagnóstico con isótopos radiactivos o en el uso de la energía nuclear. Por último, se plantea el debate sobre el futuro energético en base a la relación riesgo-beneficio de las distintas fuentes de energía y el modelo de desarrollo sostenible.

El tratamiento de la Física en el curso Ciencia adicional Este curso se dirige a los alumnos que en el futuro seguirán estudios en el ámbito de las ciencias y hace énfasis en el aprendizaje de los conceptos presentados en contextos cotidianos, como por ejemplo: el tráfico y la seguridad vial; algunos deportes y atracciones; las necesidades de electricidad en la sociedad actual, y las variadas aplicaciones cotidianas en el ámbito de las radiaciones que se interpretan con el denominador común del modelo ondulatorio. «F4 Explicando el movimiento» Esta unidad pone de manifiesto que si bien la formulación de las leyes fundamentales del movimiento se debe a Newton (siglo XVII), estos conceptos están presentes en la base de muchas de la s innovaciones y logros del siglo XXI, como el diseño y la construcción de vehículos o naves espaciales. Se plantean situaciones relacionadas con la velocidad y masa de los vehículos, y el trabajo y la energía cinética y potencial en una montaña rusa. Esta unidad se caracteriza por tratar de manera integrada las causas del movimiento y las magnitudes que lo caracterizan, así como la identificación de las fuerzas que intervienen en multitud de fenómenos cotidianos, y se destaca el hecho de que las fuerzas actúan por pares. Se centra en las fuerzas de contacto y, en concreto, en la de fricción y la ejercida entre los cuerpos (fuerza normal). En este módulo se introduce el concepto de fuerza resultante; los paráme-

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tros para describir el movimiento; el concepto de trabajo realizado por una fuerza; la energía cinética; el impulso de una fuerza; la cantidad de movimiento ; la conservación de la energía, y la relación entre la energía potencial y la cinética en la caída de un cuerpo sin fricción. Se trabajan ideas sobre la ciencia como la recogida de datos y la elaboración e interpre-

tación de gráficos –distancia-tiempo y velocidad-tiempo– como una forma sintética de describir los movimientos.

«F5 Circuitos eléctricos» Esta unidad pone de manifiesto la importancia de la electricidad en la sociedad actual (aunque la comprensión de este fenómeno se deba a científicos de la primera mitad del siglo XIX ) e incide en el hecho de que la generación eficiente de electricidad a partir de energías renovables constituye uno de los retos de la sociedad actual. Propone a los alumnos el análisis y la comparación de ejemplos de consumo de electricidad y de los diferentes usos de ésta en la vida cotidiana. Los conceptos que se introducen en esta unidad giran alrededor del modelo de materia constituido por cargas eléctricas que pueden transferirse y del modelo de corriente eléctrica como un flujo de cargas a través de un circuito cerrado. En concreto, se incluyen conceptos como la electricidad estática y la interacción entre objetos cargados; la relación entre el voltaje de una batería; la intensidad de corriente y la resistencia del conductor ; la combinación de resistencias; el papel de las baterías para elevar el potencial eléctrico de las cargas; la potencia de un circuito eléctrico; los métodos de generación y distribución de electricidad; los generadores; los transformadores; las centrales eléctricas; el concepto de potencia y la eficiencia de las distintas aplicaciones de la electricidad. Se diferencia, además, entre circuitos simples y con ramificación y se calcula el valor de la resistencia en combinaciones de resistencias en serie y en paralelo. «F6 El modelo ondulatorio de la radiación» El hilo conductor de esta unidad es el estudio de las características, propiedades y aplicaciones de los distintos tipos de radiación que constituyen el espectro electromagnético. Se utiliza el modelo ondulatorio para interpretar el comportamiento de las ondas. El apartado dedicado a la radiación IR incluye el papel de la radiación IR de alta y baja frecuencia para explicar el efecto invernadero, las aplicaciones tecnológicas de los IR (estufas, cámaras fotográficas, comunicaciones, etc.). Se diferencian los efectos de los distintos tipos de rayos UV, se introduce el concepto de materiales fluorescentes, y se explican los mecanismos de generación de las radiaciones ionizantes (rayos X y gamma), así como sus aplicaciones en radiografías o gammagrafías, en tratamientos contra el cáncer o en la esterilización de alimentos y material médico. El apartado dedicado a la información analógica y digital incluye las ondas de radio y microondas utilizadas en la televisión, las emisoras de radio y la telefonía, y explica las bases de la grabación en los CD, el mecanismo de transmisión por fibra óptica y la detección de telerradiación del espacio. Se introducen parámetros para caracterizar las ondas, como frecuencia, amplitud, longitud de onda y velocidad, las diferencias entre ondas transversales y longitudinales, y el comportamiento de las ondas en los fenómenos de reflexión, refracción, difracción e interferencia, mediante ejemplos cotidianos. Se destaca el papel de la comunidad científica en los procesos de modelización, imprescindibles para el avance de la ciencia, y las relaciones entre ciencia y técnica, aspecto en el que se resalta cómo la comprensión de los fenómenos ondulatorios por parte de los científicos ha permitido el desarrollo de nuevos instrumentos.


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El tratamiento de la Física en el módulo avanzado del curso Física por separado (Triple ciencia) El modulo avanzado está formado por la unidad «F7 Observando el universo», que es equivalente en extensión a tres unidades estándar, como el conjunto F1-F2-F3 o F4-F5-F6. Sus objetivos generales son: • Ampliar el conocimiento de los temas clave de la física moderna (óptica, imagen digital, comportamiento de los gases, partículas fundamentales). • Profundizar en las ideas sobre la ciencia más utilizadas en contextos físicos (explicaciones en términos de modelos, el papel de la comunidad internacional de astrónomos, etc.). • Mostrar las aplicaciones modernas de la física (diseño, ubicación y funcionamiento remoto de los nuevos telescopios, astrofísica). En cuanto a las ideas sobre la ciencia, se pone de manifiesto la importancia y los beneficios de la colaboración internacional entre astrónomos y cosmólogos en la captura, el almacenamiento y la transferencia de datos, así como en el funcionamiento y la gestión de los observatorios. El módulo aporta unos ejemplos llamados «Física en acción», que muestran cómo las ideas de la ciencia desarrolladas en el tema se utilizan en la física del siglo XXI. A continuación se detallan los contenidos de cada uno de los cuatro temas que configuran la unidad «F7 Observando el universo». Temas de la unidad «F7 Observando el universo» Tema 1. Observatorios y telescopios

• Los datos locales y remotos de la radiación electromagnética para entender el paisaje cósmico. • Construcción de diagramas de trayectoria de los rayos en lentes convergentes, curvatura de las lentes, distancia focal y poder de resolución de los telescopios. • Construcción de un telescopio y comparación de las ventajas e inconvenientes de los telescopios reflectores y refractores. • Parte opcional: Telescopios en el espacio y las imágenes electrónicas capturadas. Tema 2. Mapas del cielo

• Cuerpos celestes; movimientos de las estrellas; órbitas de los planetas y la Luna y su relación con las fases de la Luna; eclipses y movimiento aparente de los planetas y las estrellas. • Técnicas de medida de las distancias a las estrellas y a las galaxias (método de paralaje y pársec, variación de luminosidad de estrellas como las Cepheides). • Emisión de radiación electromagnética continua de un determinado rango por parte de objetos calientes como las estrellas. Ley y constante de Hubble; la expansión del universo.

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Tema 3. En el interior de las estrellas

• Funcionamiento de las estrellas. Espectros de emisión y absorción e identificación de los elementos. • Evidencias de la existencia del núcleo atómico a través del experimento de Rutherford. • Utilización de la teoría cinética de los gases para explicar las relaciones entre la presión, la temperatura y el volumen de un gas ideal. Escala Kelvin y el cero absoluto de temperaturas. • Opcional: Fusión nuclear. El tema 4. La vida de las estrellas

• Clasificación de las estrellas observadas mediante el uso del diagrama Hertzsprung-Russell. • Ciclo de vida de una estrella y modelo para su estructura interna con ejemplos de distintos tipos de estrellas.


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Física en contexto en el bachillerato: «Física Salters» y «Advancing Physics» Octavi Plana

Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias. Departamento de Educación. Generalitat de Catalunya La mayor parte de los cursos de Física se estructuran a partir de los contenidos: un capítulo de cinemática, otro de dinámica, etc. Sin duda este enfoque es bien conocido y, generalmente, corresponde al modo en que los profesores actuales aprendimos la física que sabemos. Sin embargo, no es la única posibilidad: existen propuestas de cursos de Física estructurados a partir de contextos. En este capítulo comentaremos dos ejemplos basados en este enfoque y trataremos, especialmente, uno de ellos que está en experimentación en nuestro país.

Los proyectos «Salters Horners Advanced Physics» y «Advancing Physics» Dos prestigiosos proyectos basados en contextos son el «Salters Horners Advanced Physics» (SHAP) (Science Education Group, 2000), desarrollado en la Universidad de York, y el «Advancing Physics» (AP) (Institute of Physics, 2001), del Instituto de Física de Londres. Tanto el SHAP como el AP están divididos en dos cursos AS (Advanced Subsidiary ) y A2 (Advanced 2), que corresponden a nuestros 1.º y 2.º de bachillerato. Una mirada a los títulos de las unidades didácticas de estos proyectos puede ayudar a entender el significado de una programación basada en contextos. En la primera celda de los cuadros 7 y 8 se muestran los títulos de las unidades. Cuadro 7. Unidades didácticas de los dos cursos del «SHAP»

SALTERS HORNERS ADVANCED PHYSICS (SHAP) Primer curso AS

Segundo curso A2

1. Más alto, más rápido, más fuerte. 2. Satélites en el espacio. 3. El sonido de la música. 4. Excavando el pasado. 5. Bueno para comer. 6. Cirugía reparadora.

7. Transporte ferroviario. 8. El medio es el mensaje. 9. Sondear el corazón de la materia. 10. ¿Construir o destruir? 11. Objetivo: las estrellas.

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Cuadro 8. Unidades didácticas de los dos cursos del «AP»

ADVANCING PHYSICS (AP) Primer curso AS

Segundo curso A2

Física en acción/Comunicación 1. Imágenes. 2. Sensores. 3. Señales.

Ascenso y ocaso del universo mecánico/Modelos y leyes 10. Creando modelos. 11. En el espacio exterior. 12. Nuestro lugar en el universo.

Física en acción/Diseño de materiales 4. Tests de materiales. 5. Una mirada al interior de los materiales. Comprensión de los procesos/Ondas y comportamiento cuántico 6. Comportamiento de las ondas. 7. Comportamiento cuántico. Comprensión de los procesos/Espacio y tiempo 8. Mapas de espacio y tiempo. 9. Cálculos en el movimiento.

Ascenso y ocaso del universo mecánico/Estados extremos de la materia 13. Muy simple. 14. Muy caliente y muy fría. Partículas y campos/Campos 15. Campos: máquinas electromagnéticas. 16. Carga y campo. Partículas y campos/Partículas fundamentales 17. Explorando la materia en profundidad. 18. Radiación ionizante y riesgo. Avances en física: estudio de un caso

Mientras que el proyecto «SHAP» tiende a asociar la física a contextos cotidianos y próximos a los alumnos, como los trenes, los instrumentos musicales o los deportes, el proyecto «AP» tiende a mostrar una física asociada a las últimas tecnologías y fronteras del conocimiento. En ambos casos, los títulos de las unidades resultan bastante distintos de lo que se esperaría encontrar en un texto de física tradicional. Aunque alguien podría creer que con semejante estructura no va a haber espacio para abordar temas como el magnetismo, las ondas o la energía, todos estos contenidos conceptuales se desarrollan en una o más unidades de estos proyectos. Si hojeamos en el «SHAP» el inicio del capítulo «Más alto, más rápido, más fuerte» (el lema olímpico), vemos que, en primer lugar, trata del progreso de los resultados en el deporte de alto nivel y de cómo la fisiología, la psicología y la física han contribuido a este progreso. Más adelante, al analizar las carreras de los velocistas, trata la cinemática en una dimensión y, al profundizar en las situaciones propias de la escalada, estudia la estática y la ley de Hooke, etc. También es ilustrativo ver cómo empieza el «Advancing Physics». Si bien los principales capítulos se dedican a las comunicaciones, el primero de ellos centrado en las imágenes, comienza con la siguiente declaración: La visualización de datos es un aspecto importante de la Física en rápido desarrollo. Daremos ejem plos de imágenes para el uso médico, la exploración del universo, la observación de la Tierra desde el espacio y la «visualización» de los átomos.


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Tras esta presentación, se empieza por estudiar los ultrasonidos aplicados a las ecografías y, de este modo, aparecen los conceptos de pulso, periodo, frecuencia, resolución, píxeles, etc., que van a ser útiles para analizar el contexto propuesto. Así pues, en lugar de presentar los contenidos conceptuales y sugerir que éstos tienen importantes aplicaciones, se parte de situaciones en que la física va a ser imprescindible para comprender o resolver determinados problemas y, en ese contexto, se estudian los conceptos necesarios. Si partimos de estos contextos, cabe imaginar que un alumno al inicio de su bachillerato científico pueda sentir, ya desde el primer día, la idea de que la física es importante en muchos campos y que el aprendizaje le va a ser útil. Conscientes como somos de la dificultad de ilusionar a nuestros estudiantes, los esfuerzos en este sentido, sin duda, merecen la pena. Muchos profesores de Física encuentran interesantes estos proyectos, pero se preguntan si con esa metodología los alumnos van a aprender física «de verdad» o si se trata sólo de un intento bienintencionado que producirá estudiantes, quizá muy motivados, pero carentes de conocimientos sólidos. Sin duda merecería la pena dedicar algún tiempo a discutir el significado de física «de verdad», y analizar si podría confundirse con física «de libro» o, peor, con física «de examen».

La adaptación del proyecto «SHAP» en Cataluña: «Física en contexto» Un grupo de profesores y profesoras catalanes se propusieron, en 2005, afrontar el reto de elaborar un proyecto «Física en contexto» para su aplicación en bachillerato. El propósito era adaptar el proyecto SHAP a la realidad de nuestro entorno educativo y aplicarlo en condiciones reales. Esperábamos con ello disponer de unos materiales que resultasen motivadores, que generasen curiosidad e interés y que ofreciesen una visión más amplia de la Física que la que encontramos en los libros de texto tradicionales. Después de establecer un acuerdo para su adaptación y experimentación con la directora del proyecto «SHAP», la profesora Elisabeth Swinbank, y con el director del Science Education Group (SEG) de la Universidad de York, el profesor John Holman, iniciamos el proyecto en el Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias (CDEC), un centro de recursos para el profesorado de ciencias que depende del Departamento de Educación de la Generalitat de Catalunya. Para que la adaptación fuese aplicable en nuestros centros, tuvimos en cuenta los siguientes aspectos: • El currículo de nuestro sistema educativo, al que por ley debemos ajustarnos. Cabe señalar que las modificaciones del mismo, se han visto reflejadas en el proyecto.

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• El tiempo disponible. El proyecto original inglés está diseñado para dos cursos de cinco sesiones semanales. Nuestra menor disponibilidad de horario lectivo exigió descartar muchos contenidos interesantes. • Las posibilidades de contextualización en nuestro entorno, y la búsqueda de ejemplos próximos en el espacio y el tiempo. • Los recursos (equipamientos, programas informáticos...) disponibles en nuestros centros. Otras consideraciones importantes fueron: • Proporcionar actividades prácticas asequibles y contrastadas. Puesto que el trabajo experimental forma parte de la esencia misma de la ciencia y debe ser importante en cualquier curso de Física, las actividades experimentales están integradas en el curso y se busca que sean fácilmente realizables con el material disponible o, en todo caso, que éste sea fácil de conseguir. • Incorporar los recursos asociados a las nuevas tecnologías: se proponen muchas actividades con programas de simulación (por ejemplo, un análisis del movimiento de los satélites de Júpiter con «Celestia»); análisis de vídeos (el inicio de una carrera atlética); enlaces a páginas web; uso de hojas de cálculo; tratamiento de sonido, etc. • Plantear actividades de síntesis, de búsqueda de información y de comunicación. Así se propone la realización de mapas conceptuales, investigaciones sobre temas de actualidad, debates y redacción de informes. Desde 2005 hemos trabajado en la elaboración de los materiales, en la experimentación y evaluación de este proyecto en las aulas (con las aportaciones de un gran número de docentes,) así como en su difusión (Plana y otros, 2005). Como resultado de este proceso, los materiales se han modificado y perfeccionado. Este hecho, unido a los cambios impulsados por los contenidos curriculares, ha dado al proyecto un carácter propio. Actualmente, el proyecto adaptado, «Física en context» (Grup Física Salters, 2009), consta de ocho unidades, en lengua catalana. Sus títulos, traducidos al castellano, se muestran en el cuadro 9. Cuadro 9. Unidades del proyecto «Física en contexto»

PRIMER CURSO

SEGUNDO CURSO

1. La luz. 2. Más alto, más rápido, más fuerte. 3. Satélites en el espacio.

4. Música y sonido. 5. Planetas y estrellas. 6. Un viaje alucinante. 7. Trenes. 8. Aceleradores de partículas.


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Cada sección es introducida con el título «¿Por qué una unidad llamada...?», donde se justifica la importancia de la física en el ámbito de estudio escogido y que incluye el apartado «Introducción de los principios y de los procedimientos físicos», que presenta los objetivos conceptuales y procedimentales, a la vez que los relaciona con el contexto elegido y con las unidades anteriores. Entre los recursos para cada unidad, cabe destacar la aportación de un CD que, además de recoger material para los alumnos, consta de una guía docente con orientaciones didácticas y técnicas, soluciones a los ejercicios planteados, hojas para las actividades prácticas y de ampliación, hojas adicionales de problemas, enlaces, programas informáticos, materiales complementarios y actividades de evaluación propuestas en los últimos cursos. Las unidades del proyecto «Física en contexto» «La luz»

La primera unidad se divide en tres apartados. En el primero de ellos, «Una mirada al ojo», se habla de miopía, hipermetropía, lentillas y de gafas de sol polarizadas. Se anima a los estudiantes a aplicar el modelo de rayos, a estudiar las lentes y a introducir el modelo de ondas transversales para la luz. El segundo apartado, «El lector de CD», estudia la óptica de este sistema y profundiza en la reflexión, las interferencias constructivas y destructivas y en la relación entre la longitud de onda y el color. El último apartado, «Una mirada a toda la unidad», permite recapitular los contenidos con actividades como la construcción de un telescopio elemental. «Más alto, más rápido, más fuerte»

El hilo conductor de la segunda unidad es el deporte. En el primer apartado, «Correr», dedicado a las carreras, se estudia la velocidad en movimientos uniformes y acelerados (en una dimensión) y estos conceptos se relacionan con las fuerzas –peso, normal, fricción–, a través de las leyes de Newton. Las situaciones del apartado «Escalada» llevan a estudiar sistemas de fuerzas en dos dimensiones, así como la ley de Hooke. «Cálculo de trabajo», a través del análisis de las zapatillas deportivas, el esquí o el levantamiento de pesos introduce los conceptos de trabajo, conservación de energía, potencia y rendimiento. En el apartado «Estirar y encoger» se detallan situaciones en las que interviene la energía potencial elástica, como un salto de bungee o de pértiga. «Saltar y lanzar» estudia el movimiento en dos dimensiones, especialmente el tiro parabólico, a partir de saltos de esquí y de lanzamientos de pelotas. «La última vuelta» plantea cuestiones sobre los contenidos trabajados en la unidad. «Satélites en el espacio»

Esta unidad aborda cuestiones relativas a los satélites artificiales. Tras la introducción, se estudia la cinemática y la dinámica del movimiento circular uniforme. «Llegadas y salidas» plantea una situación de acoplamiento entre naves espaciales, que lleva a considerar la conservación de la cantidad de movimiento y la e nergía en los choques. En «Células solares y circuitos eléctricos» se estudia la corriente continua a partir de los paneles solares y su optimización. La problemática ligada a los cambios de temperatura en una nave espacial se trata en el apartado «Transferencia de energía y control», con contenidos de calor y energía. La síntesis de la unidad se plantea en el apartado «Misión cumplida».

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«Música y sonido»

La primera unidad del segundo curso, «Música y sonido», empieza con el apartado «Producir sonidos» que, a partir del contexto musical, da lugar al estudio del movimiento armónico simple, las ondas, el principio de superposición y las interferencias. En el apartado «Instrumentos musicales» se analizan instrumentos de cuerda y de viento, lo que lleva a considerar las ondas estacionarias y el análisis de los sonidos complejos (superposición de armónicos...). «El ruido» plantea los problemas que éste puede causar, la contaminación acústica y presenta contenidos como la escala de intensidad sonora, el umbral de audición o la difracción del sonido. El apartado «El último bis» se dedica a una recapitulación que cierra la unidad. «Planetas y satélites»

La unidad «Planetas y satélites», contextualizada en el espacio exterior, parte del contexto histórico que dio lugar al sistema heliocéntrico y continúa hasta los viajes espaciales. El primer apartado, «De Ptolomeo a Kepler», nos conduce desde los primeros modelos del universo hasta las leyes de Kepler. «Astros en movimiento» presenta la ley de la gravitación universal, introduce el campo gravitatorio y estudia la dinámica de las órbitas circulares. «Viajar fuera de nuestro planeta», a partir de las dificultades de escapar de la Tierra, aborda el estudio de la energía tanto en órbitas de escape como en órbitas cerradas, y analiza el caso de las circulares. El apartado final, «El último recorrido», propone cuestiones que combinan los distintos enfoques dados en la unidad y propone una investigación sobre algún proyecto espacial. «Un viaje alucinante»

Ésta es la tercera unidad del segundo curso y toma como eje las radiaciones ionizantes para trazar un recorrido a través de la física moderna. Empieza con el apartado «Física nuclear», que plantea aplicaciones y riesgos de las radiaciones ionizantes y describe los procesos radioactivos, su decaimiento y la energía asociada a ellos. «La nueva física» presenta la tomografía por emisión de positrones para introducir el modelo corpuscular de la luz, la dualidad onda-partícula y la equivalencia masa-energía. Después se ocupa de la radiación cósmica para introducir, brevemente, la relatividad especial. El apartado «Las teorías del Todo» parte del reto que supone para los físicos la unificación de las teorías para integrar las distintas interacciones elementales y describe el modelo estándar de partículas. Continúa con «Una mirada al universo», que presenta las ideas y hechos que han conducido a la teoría del Big Bang, y la concepción que tenemos actualmente de la evolución del universo. El apartado final de síntesis se titula «De lo más pequeño a lo más grande». «Trenes»

La cuarta unidad del segundo curso empieza con un apartado titulado «Seguridad en los trenes: señalización ferroviaria», en el que se plantean, por un lado, algunos de los problemas de los primeros ferrocarriles y, por otro, se analiza cómo detectar la presencia de trenes en un tramo de la vía con circuitos eléctricos que usan relés, a la vez que presenta las primeras ideas sobre el campo magnético y su generación por corrientes eléctricas. En «La fuerza magnética» se aborda el efecto de los campos magnéticos sobre corrientes eléctricas (en motores) o sobre partículas cargadas (en un espectrógrafo de masas). El apartado «Trenes eléctricos» analiza los motores, los sistemas de frenado y la alimentación del sistema eléctrico ferroviario, para estudiar la inducción electromagnética, la s leyes de Faraday y de Lenz, las corrientes inducidas, así como los alternadores y los transformadores. El último apartado es el «Resumen de la unidad».


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«Aceleradores de partículas»

La última unidad del proyecto empieza con la presentación del nuevo sincrotrón ALBA como una apuesta de futuro en la investigación en nuestro país. El apartado «Aceleremos partículas» analiza los cañones de electrones de los dispositivos CRT, así como otros aceleradores lineales; introduce situaciones en las que el campo eléctrico es constante y presenta la fuerza eléctrica y la energía potencial eléctrica, la variación de la masa con la velocidad y las representaciones del campo eléctrico. El apartado «Desviemos el haz de partículas» plantea la deflexión producida en un haz de partículas cargadas por un campo eléctrico en un monitor CRT y la ocasionada por un campo magnético en un espectrógrafo de masas o en un acelerador lineal. La radiación sincrotrón permite relacionar la radiación electromagnética con el electromagnetismo. En «Detección de partículas» se presenta el detector de Geiger como un dispositivo con un campo eléctrico no homogéneo, antes de introducir la ley de Coulomb y el estudio de los campos eléctricos generados por partículas puntuales. El apartado final propone un mapa conceptual y un trabajo en más profundidad sobre el sincrotrón ALBA.

Evaluación del proyecto El proyecto empezó a aplicarse en el curso 2004-2005 y en 2009-2010 ha sido utilizado en 26 centros públicos o concertados de Cataluña. En general, el profesorado se muestra satisfecho de su aplicación y valora aspectos como la diversidad de actividades prácticas y de recursos TIC, y el énfasis en mostrar la relación de la física con temas de actualidad, que han resultado motivadores para los alumnos. Una de las dificultades que se plantea a menudo es la inseguridad ante contextos o instrumentos que resultan desconocidos. En ese sentido, el trabajo conjunto con otros profesores contribuye a adquirir dominio ante nuevas situaciones y formación a medida que se experimenta. Por otro lado, muchos de los alumnos acaban el curso con el convencimiento de que la Física es una materia interesante, con multitud de aplicaciones y con mucho por explorar y por descubrir. El proyecto ha permitido a muchos profesores reflexionar sobre el modo de enseñar Física, los contenidos y el modo de abordarlos, así como a aplicar nuevos planteamientos didácticos en condiciones reales. Aunque el peso de la tradición y la inercia en nuestra profesión ralenticen la adopción de metodologías distintas a las que nosotros utilizamos en nuestra formación inicial, merece la pena trabajar en una dirección que aproxime la Física al mundo real y que facilite la transición de las metodologías expositivas a las indagatorias.

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ACTIVIDADES Actividad 1

Características didácticas de una secuencia de enseñanza y aprendizaje

En primer lugar, reuníos en pequeños grupos y seleccionad una secuencia de enseñanza y aprendizaje concreta (puede ser de un material curricular conocido y publicado, de «Materials Science» o de otros proyectos, la unidad que estéis diseñando u otras realizadas por alumnos de cursos anteriores, etc.) y analizadla al tiempo que respondéis a las siguientes cuestiones: 1. ¿Existe alguna descripción del enfoque didáctico utilizado en esta SEA por parte de sus autores? (debéis fijaros si, además del material de aula, se proporcionan guías para el profesorado, presentación de la filosofía y recomendaciones didácticas, etc.). En caso afirmativo, ¿cuáles son los aspectos principales de este enfoque? 2. En el ejemplo de SEA analizada, ¿qué actividades de indagación se proponen a los alumnos? Descríbelas. 3. En el ejemplo de SEA analizada, ¿qué actividades de modelización se proponen a los alumnos? Descríbelas. 4. ¿Qué tipo de relaciones se establecen entre la indagación y la modelización en la SEA analizada? Para responder a la pregunta, puedes averiguar qué aspectos del modelo o de la teoría se introducen, confirman o profundizan en relación con qué tipos de actividades indagatorias, como experimentos, resolución de problemas, uso de evidencias, etc., y de qué forma se propone hacerlo. 5. La SEA o el material didáctico analizado, ¿tiene un enfoque con respecto a la modelización y la indagación similar al propuesto en este capítulo? ¿En qué se parece y en qué se diferencia? En segundo lugar, proponemos trabajar en la totalidad del grupo-clase. Presentad cada una de las SEA analizadas, describid su enfoque, actividades centrales de modelización e indagación y la relación entre las mismas. 6. ¿Cuáles son las principales diferencias entre las SEA presentadas? 7. Como futuros profesores, ¿creéis que es importante conocer el enfoque didáctico de los materiales de aula que utilizaréis? 8. Como futuros profesores, ¿qué valor pensáis que tiene este enfoque didáctico basado en resultados de investigación?, ¿y el hecho de que el material esté validado experimentalmente?


Actividad 2

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Planificación de una secuencia de enseñanza: indagación y contextualización

En el capítulo 3 del volumen de Didáctica de la Física y la Química , se ofrecen modelos para el diseño y la validación de secuencias didácticas, y en este capítulo se han presentado, a su vez, diferentes ejemplos de secuencias y proyectos para la enseñanza de la Física. Con esta información: 1. Escoge un tema –puede ser el que se tenga previsto implementar en el periodo de prácticas– y plantea el contexto y el modelo explicativo que se va a usar, además de la secuencia de cuestiones que guiarán la indagación correspondiente, toma como ejemplo la forma de proceder presentada para la secuencia «Propiedades acústicas de los materiales», en este capítulo. 2. Desarrolla una actividad contextualizada completa que forme parte de la secuencia de enseñanza planificada. Es preciso documentarse previamente sobre secuencias de enseñanza ya existentes con objetivos similares, dificultades conceptuales de las ideas involucradas, concepciones alternativas de los estudiantes sobre este tema, etc. Para realizar el apartado 1 es conveniente construir una tabla como las de los cuadros 1, 2 y 3 del capítulo 3 del segundo volumen (en pp. 61, 67 y 68, respectivamente): • CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó. Para elaborar una actividad, que forme parte de la secuencia (apartado 2), es conveniente analizar ejemplos de actividades de los proyectos presentados en este capítulo, a las que se puede acceder a través de la página web de los mismos o bien de los materiales editados.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BURDEN, J. (2005). Ciencia para el siglo XXI: un nuevo proyecto de ciencias para la educación secundaria en el Reino Unido. Alambique, 46, 68-79. BURDEN, J., y otros (2006). Twenty first Century Science. Oxford: Oxford University Press/ OCR. Disponible en línea en: . CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó. DBR (DESIGN-BASED RESEARCH) COLLECTIVE (2003). Design-Based Research: An Emerging Paradigm for Educational Inquiry. Educational Researcher , 32 (1), 5-8. GLYNN, S. y DUIT, R. (1995). Learning Science Meaningfully: Constructing Conceptual Models. En S. Glynn y R. Duit (eds.), Learning Science in the Schools: Research Reforming Practice, pp. 1-33. Nueva Jersey: Lawrence Erlbaum A. Publishers. GRUP FÍSICA SALTERS (2009). Física Batxillerat Salters-Horners. Edició pilot. 5 vols. Barcelona: Centre de Documentació i Experimentació en Ciències. Departament d’Educació. HERNÁNDEZ, M.I. (2008). Estudi de les concepcions dels estudiants de secundària sobre l’atenuació del so i les propietats acústiques dels materials. Trabajo de investigación no publicado. Departament de Didàctica de les Matemàtiques i de les Ciències Experimentals. Universitat Autònoma de Barcelona. INSTITUTE OF PHYSICS (2001). Advancing Physics, 2 vols. Student’s book AS y Student’s book A2. London: The Institute of Physics. LLEWELLYN, D. (2005). Teaching High School Science through Inquiry: A case study approach. Thousand Oaks, CA: Corwin Press & NSTA (National Science Teachers Association) Press. MILLAR, R. y OSBORNE, J. (2000). Beyond 2000: Science education for the future. Londres: King’s College London. MSB (Materials Science en Barcelona): ARMENGOL, M., CORTIJO, C., COUSO, D., HERNÁNDEZ, M.I., MARTOS, R., PADILLA, M., PINTÓ, R., RÍOS, C., SIMÓN, M., SUNYER, C. & TORTOSA, M. (2009). Propietats Acústiques dels Materials. Consultado (17/04/2010) en: . PLANA, O., y otros (2005). La Física Salters: un proyecto para la enseñanza contextualizada de la física en el bachillerato. Alambique, 46, 93-102. SCIENCE EDUCATION GROUP (2000). Salters Horners Advanced Physics. 4 vols.: Student book AS, Teacher and technician resource pack AS, Student book A2, Teacher and technician resource pack A2. Oxford: Heinemann. WINDSCHITL, M., THOMPSON, J. y BRAATEN, M. (2008). Beyond the Scientific Method: Model-Based Inquiry as a New Paradigm of Preference for School Science Investigations. Science Education, 92, 941-967.

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3. UNIDADES DIDÁCTICAS Y PROYECTOS DE CALIDAD EN LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA


• • • •

La Química en el proyecto «Ciencia para el siglo XXI» La «Química Faraday» El proyecto «Química Salters» El proyecto «Chemie im Kontext»

Aureli Caamaño y Fina Guitart

En este capítulo se presentan varios proyectos y unidades didácticas de gran interés para la enseñanza de la Química, que tienen en común la contextualización de los contenidos y el enfoque indagatorio. En primer lugar, se describen las unidades de Química del proyecto «Ciencia para el siglo XXI» para alumnos de educación secundaria de 14-16 años; en segundo lugar, se muestra el proyecto «Química Faraday», como ejemplo de una secuenciación conceptual histórica; y en tercer lugar, se analiza el proyecto de química en contexto «Química Salters» para bachillerato, adaptación del proyecto inglés «Advanced Salters Chemistry»; y el proyecto alemán de «Química en contexto» («Chemie im Kontext»), para alumnos de secundaria obligatoria y bachillerato.

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La Química en el proyecto «Ciencia para el siglo

XXI»

Fina Guitart

Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias. Departamento de Educación. Generalitat de Catalunya El proyecto «Ciencia para el siglo XXI» («Twenty First Century Science») es un proyecto de ciencias para alumnos de 14 a 16 años elaborado por el Centro Curricular Nuffield y la Universidad de York, en el Reino Unido (Burden y otros, 2006; Burden, 2005). Su objetivo fundamental es dar respuesta a los distintos intereses y necesidades del alumnado, con una parte común de alfabetización científica y unas secciones opcionales orientadas a las aplicaciones de la ciencia y a los contenidos conceptuales básicos, para el alumnado que desee continuar estudios del ámbito científico-técnico. La presentación de este proyecto se ha realizado en el capítulo anterior. El cuadro 1 muestra los títulos de las unidades de Química de los cursos de este proyecto. Cuadro 1. Unidades de Química del proyecto «Ciencia para el siglo XXI»

CURSO

UNIDADES RELACIONADAS CON LA QUÍMICA

Ciencia básica

C1 La calidad del aire.

C2 La elección de materiales. C3 La alimentación es importante. A4 El aprovechamiento de los productos químicos.

Ciencia aplicada A3 Detección científica. Ciencia adicional C4 Regularidades químicas. C5 Productos químicos del medioambiente natural. C7 Química para un mundo sostenible. Triple ciencia

C6 Síntesis química.

En este apartado, nos centramos en las unidades de química de los cursos Ciencia básica y Ciencia adicional . El contenido y enfoque de las unidades del curso Ciencia aplicada se han comentado en la presentación del proyecto en el capítulo 2, «Unidades didácticas y proyectos de calidad en la enseñanza de la Física», en este volumen (en el apartado «Ciencia para el siglo XXI: un proyecto inglés para la enseñanza de la ciencias a alumnos de 14-16 años. Las unidades de Física», pp. 41-48).

Las unidades de Química en el curso Ciencia básica Las unidades de Química en el curso Ciencia básica tienen un enfoque de alfabetización científica e introducen los conceptos básicos de la química y las ideas sobre la ciencia en los contextos de la calidad del aire, la elección de los materiales y la alimentación. En estas unidades se interpretan fenómenos a nivel submicroscópico, como el modelo de partículas de la materia, el modelo de reacción química y los diferentes tipos de unión entre partículas, que explican las diferencias en las propiedades de los distintos materiales. Los conceptos o modelos básicos de química introducidos en una unidad se aplican en otro contexto en otras unidades, de manera que los alumnos deben transferir el conocimiento a nuevas situaciones.

UNIDADES DIDÁCTICAS Y PROYECTOS DE CALIDAD EN LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

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«C1 Calidad del aire» La temática elegida en esta unidad pone de manifiesto las consecuencias ambientales y de salud de determinados contaminantes atmosféricos, con especial énfasis en los combustibles fósiles, y las posibilidades de actuación para mejorar la calidad del aire en el futuro. Se introduce el concepto de sustancia molecular a partir de los gases del aire; se establece, también, la diferencia entre elementos y compuestos, y la idea de cambio químico a partir del estudio de la combustión de gasolinas en los vehículos, con el fin de explicar el impacto de la utilización de combustibles sobre el medio ambiente. Se utilizan modelos, diagramas y animaciones para ayudar a los estudiantes a visualizar cómo los cambios químicos implican una reordenación de los átomos para producir nuevas sustancias con propiedades distintas y a comprender que los átomos se conservan durante los cambios químicos. En cuanto a las ideas sobre la ciencia, se introducen los criterios de fiabilidad de las mediciones a través de la toma de datos y la idea de riesgo ambiental . «C2 Elección de materiales» Esta unidad utiliza el contexto de los materiales, sus características y propiedades y los criterios para elegir unos u otros en relación a estilos de vida más sostenibles, y atiende a los costes energéticos y la preservación de los recursos naturales. Se aplican los conceptos de sustancia química, cambio químico y conservación de la masa al campo de los polímeros moleculares y se hace énfasis en la obtención de nuevos productos con nuevas propiedades. Se trabajan relaciones entre distintas escalas: macroscópica, microscópica y atómica, y se establecen relaciones entre los materiales y sus propiedades sin un tratamiento formal del enlace. Las ideas sobre la ciencia tienen, también, un importante papel en esta unidad. La investigación de las propiedades de los materiales constituye una buena manera de trabajar la toma de datos y la evaluación de la calidad de los mismos. En el ámbito del desarrollo sostenible se estudia, cualitativa y cuantitativamente, el ciclo de vida de un producto y se analizan los costes y beneficios de la utilización de diversos materiales. «C3 La alimentación es importante» La nutrición, las dietas y la salud son temas muy presentes en los medios de comunicación y en muchas ocasiones presentan informaciones con conceptos erróneos sobre los productos químicos. Esta unidad aplica los conceptos de química, introducidos en unidades anteriores (como la idea de polímero molecular y el ciclo de los elementos), al contexto de la alimentación y la agricultura. Por ejemplo, se utiliza el ciclo del nitrógeno en el contexto de los fertilizantes y se pone de manifiesto que no todos los productos químicos naturales son intrínsecamente buenos ni seguros, ni los productos químicos sintéticos son siempre malos y peligrosos. Entre las ideas sobre la ciencia presentes en esta unidad destacan la toma de decisiones y el concepto y los factores de riesgo en la búsqueda de un equilibrio entre coste y beneficio, lo que requiere la comprensión de los criterios científicos implicados, así como otros conocimientos y valores. La unidad plantea situaciones problemáticas como con los residuos de los plaguicidas y la relación entre la obesidad y la diabetes para estudiar la interacción de los riesgos, la elección personal y la regulación legislativa.

La Química en el curso Ciencia adicional Las unidades de Química en el curso Ciencia adicional tienen como objetivo profundizar en aspectos de la naturaleza de la ciencia e introducir y ampliar los conceptos y modelos

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químicos para el alumnado con especial interés por esta materia o que desee continuar estudios del ámbito científico. Estas unidades aportan una visión del mundo que trata de explicar patrones en el comportamiento de los elementos en base a su estructura atómica; introducen, además, conceptos relacionados con la estructura y los enlaces químicos en el contexto de los cambios en el entorno natural, y ponen de manifiesto la importancia de la industria química en la síntesis de productos necesarios en la sociedad actual. «C4 Regularidades químicas» Esta unidad utiliza, como hilo conductor, la tabla periódica y los patrones de regularidad y periodicidad en la química. Se introduce la estructura atómica a partir de evidencias experimentales como las coloraciones a la llama, los espectros atómicos de algunos elementos, y la teoría iónica a partir de evidencias experimentales de conductividad y otras propiedades de los compuestos iónicos. La unidad se centra en el estudio de la variación de las propiedades de dos grupos concretos de elementos: los metales alcalinos y los halógenos, y la reacción entre ellos para formar compuestos iónicos. Se hace especial énfasis en la relación entre propiedades y configuración electrónica y en cómo los especialistas utilizan ecuaciones químicas igualadas para describir las reacciones químicas, así como en la ayuda de la espectroscopia en el descubrimiento de nuevos elementos y en la modelización del interior de los átomos. «C5 Productos químicos del medioambiente natural» En esta unidad se introducen conceptos especializados a partir de las sustancias químicas de la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera, y se presentan los ciclos naturales del carbono y el nitrógeno, así como el impacto que algunas de las actividades humanas a gran escala pueden ejercer sobre estos ciclos, como ocurre con los combustibles fósiles y los fertilizantes. Se abordan diversos procesos de extracción de metales a partir de minerales, su uso y su ciclo de vida, en relación al cambio químico y el posible impacto medioambiental. Se interpretan las propiedades de las sustancias con relación a las estructuras, se representan las reacciones mediante ecuaciones químicas, y se introduce la igualación y los cálculos sencillos en ecuaciones de procesos como la extracción de metales por reducción con carbono. Por último, el proceso de electrólisis es interpretado en base a la teoría iónica. «C6 Síntesis química» La temática de esta unidad es la industria y los productos químicos de especial relevancia por su producción en grandes cantidades o por alguna de sus aplicaciones, como es el caso de algunos ácidos, bases y sales, a partir de los cuales se introducen los conceptos clave de este tipo de compuestos, se utiliza la teoría iónica para interpretar las reacciones de neutralización y se realiza la valoración de la solución de un ácido para comprobar la pureza de una muestra. Mediante ejemplos de reacciones utilizadas en la industria química, se pone de manifiesto la complejidad de los procesos de síntesis que incluyen diversas etapas. Se introduce, también, el concepto de velocidad de reacción y los factores que influyen en ella, y se explica la influencia de la concentración mediante la teoría de colisiones. Por último, se refuerza el significado cuantitativo de las fórmulas y se introduce la interpretación cuantitativa de las ecuaciones, con la finalidad de calcular cantidades de reactivos y productos, así como los rendimientos de las reacciones químicas.


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La unidad «Química para un mundo sostenible» en el curso Química por separado (Triple ciencia) Los objetivos generales de esta unidad son: • Ampliar los temas clave en la química moderna (química orgánica, cambios energéticos y equilibrio químico). • Profundizar en las ideas sobre la ciencia más utilizadas en contextos químicos (validez de las mediciones, explicaciones en términos de modelos, desarrollo sostenible). • Mostrar las aplicaciones modernas de la química (análisis y síntesis, incluida la industrial a gran escala). La unidad presenta el contenido estructurado en cuatro temas: • El primer tema introduce la química orgánica y utiliza los alcanos, los alcoholes y los esteres, para mostrar que estas series de compuestos pueden ser estudiados en base a sus grupos funcionales. • El segundo tema abarca los cambios energéticos y las reacciones reversibles, y muestra cómo los químicos explican los fenómenos mediante modelos a escala molecular que incluyen los conceptos de energía de enlace y equilibrio dinámico. • En el tercer tema se introduce la cromatografía como ejemplo de análisis cualitativo y las valoraciones, con énfasis en el concepto de medición válida, como muestra de análisis cuantitativo. • El cuarto tema explora los principios de la química verde y muestra cómo la industria química reinventa procesos para hacer más sostenible la fabricación de productos. En los ejemplos llamados química en acción se muestra cómo las ideas de la ciencia, desarrolladas en la unidad, se utilizan en la química del siglo XXI. A continuación se detallan los contenidos de cada uno de los cuatro temas que configuran la unidad «Química para un mundo sostenible». Su extensión es equivalente a tres de las unidades estándar (C1-C2-C3 o C4-C5-C6). Temas de la unidad «C7 Química para un mundo sostenible» Tema 1. La química de los compuestos de carbono

• Alcanos: representación de su estructura molecular; propiedades físicas y químicas; uso de ecuaciones químicas igualadas para representar reacciones orgánicas. • Alcoholes: nombres y estructuras; reacciones de combustión y reacción con el sodio. • Ácidos y ésteres: propiedades y características; formación y preparación experimental de ésteres, grasas y aceites.

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Tema 2. ¿Cuánto? ¿Cuán rápido? ¿Hasta dónde?

• Cambios de energía en las reacciones químicas: reacciones exotérmicas y endotérmicas; energía de enlace, y cálculo de variaciones de energía a partir de datos numéricos. • Colisiones moleculares y energía de activación: procesos reversibles; equilibrio dinámico, y explicación de las diferencias entre ácidos fuertes y débiles en términos de equilibrio químico. Tema 3. Análisis químico

• Métodos de análisis cualitativo y cuantitativo, procedimientos analíticos y de muestreo. Fundamento de la cromatografía en capa fina y ejemplos de utilización y cálculo de R f . Introducción a la cromatografía de gases: tiempos de retención e interpretación de cromatogramas sencillos. • Análisis cuantitativo: realización de valoraciones, con el uso de la pipeta y la bureta; interpretación de los resultados de una valoración; cálculos de la concentración de la disolución problema a partir de una ecuación igualada y con las fórmulas dadas, y estimación del error a partir de los resultados de una serie de mediciones. Tema 4. Química verde

• Ejemplos de productos de química fina y productos de gran consumo. Normativas medioambientales y de protección de la salud y la seguridad laboral; principales rasgos de los procesos industriales (utilización de materias primas, manipulación de subproductos y residuos, separación de productos y control de calidad). • Innovación en química verde y sostenibilidad de los procesos: economía de átomos, flujos de energía, impacto medioambiental y cálculos de rendimiento (análisis e interpretación de datos, desde el punto de vista de la sostenibilidad del proceso industrial de síntesis a gran escala, de la obtención de etanol a partir del etano y por fermentación de la biomasa y los residuos).


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La «Química Faraday» Aureli Caamaño

IES Barcelona-Congrés Universidad de Barcelona La «Química Faraday» (Grup Recerca-Faraday, 1990) fue un proyecto curricular para el aprendizaje de la Química en la enseñanza secundaria (alumnos de 16-17 años) con una secuenciación de los conceptos y un proceso de modelización de la química, basados en la evolución histórica de los conceptos químicos. Contemporáneo de proyectos como la «Química Nuffield», el «Curso de Introducción a las Ciencias Físicas» (IPS), la «Química Elemental Básica» y el «Curso Básico de Ciencias» de la Open University, el proyecto «Química Faraday» adoptó una enfoque eminentemente experimental y modelizador de la química. Uno de los objetivos del proyecto proponía: Dar una imagen dinámica de la química como ciencia en que las teorías surgen de un intento de explicar los hechos experimentales, y los experimentos de una necesidad de contrastar las hipótesis emitidas.

Los primeros encuentros sobre enseñanza de las ciencias que se organizaron en nuestro país en la década de 1980 permitieron contrastar y difundir la metodología didáctica y la propuesta curricular asociada que se perfilaba. La elaboración y experimentación de las unidades del proyecto se realizó con el soporte del ICE de la Universidad Autónoma de Barcelona y del Colegio de Licenciados de Cataluña. A mediados de la década, el proyecto estaba suficientemente avanzado para cubrir los contenidos básicos de los cursos de Química de 2.º de BUP (16 años) y de 3.º de BUP (17 años). Una mayor importancia concedida a la evolución histórica de los conceptos químicos y una reflexión crítica sobre la orientación inductivista del aprendizaje, presente en las primeras lecciones, caracterizaron la revisión del material elaborado y guiaron la elaboración de las unidades pendientes. En esa época emergen los resultados de la investigación sobre las concepciones alternativas de los estudiantes y se adopta una visión constructivista del aprendizaje, a la que la filosofía de la química no permaneció ajena. Cinco años de experimentación del proyecto en su globalidad en varios institutos de bachillerato de Barcelona ciudad y comarcas, dieron lugar a su publicación definitiva en la Editorial Teide. Durante este periodo, el proyecto fue divulgado a través de numerosos artículos (Grup Recerca, 1978, 1981, 1982, 1983, 1984; Caamaño, Maestre y Mayós, 1980; Grup Recerca-Faraday, 1985; Caamaño y Maestre, 2004) y comunicaciones en jornadas y en cursos por toda España.

Estructura del proyecto y filosofía didáctica Las unidades didácticas del proyecto «Química Faraday» estaban secuenciadas según un orden que partía del estudio macroscópico de la materia y avanzaba hacia un conocimiento

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interno de ella cada vez más profundo, al tiempo que construía los conceptos y modelos necesarios. A continuación se muestra el listado de unidades. Unidades del proyecto «Química Faraday» 1. «La medida de la masa y el volumen». 2. «Propiedades características». 3. «Mezclas y sustancias puras». 4. «Elementos y compuestos». 5. «Naturaleza atómica de la materia». 6. «Cálculos con cantidades químicas». 7. «La ordenación de los elementos». 8. «La estructura de los gases, líquidos y sólidos». 9. «Naturaleza eléctrica de la materia: iones». 10. « Ácidos, bases y sales». 11. « Reacciones de oxidación-reducción». 12. « El descubrimiento del electrón y los primeros modelos del átomo». 13. « La naturaleza del enlace químico». 14. « La química de los compuestos de carbono».

El enfoque didáctico del proyecto se basaba en los siguientes puntos: • La justificación de todo concepto nuevo como necesidad de interpretar unos hechos experimentales en el marco de un modelo explicativo determinado. • La modificación e incluso la sustitución de conceptos, modelos y teorías a medida que el conocimiento de nuevos hechos lo requería. • La utilización de los conceptos y modelos más sencillos hasta el límite de su campo de aplicación antes de ser modificados y sustituidos. • Una gradación en el aprendizaje y uso de los procesos de la metodología científica: observación, clasificación, interpretación, experimentación, construcción de modelos, etc., desde los más simples a los más complejos. En el apartado «Introducción» de la guía didáctica se planteaba: La característica principal del proyecto Química Faraday es la de dar prioridad a la adquisición de los conceptos y modelos más básicos a través de la emisión de hipótesis y su contrastación experimental. A partir de ellos se pueden fundamentar, en cursos posteriores, teorías más elaboradas y tratamientos más cuantitativos. De esta forma se asegura que la profundización teórica y metodológica en los cursos de química superiores se realizará sobre una base experimental y conceptual adecuada.

La «Química Faraday» vista desde el presente A pesar del tiempo transcurrido, y de que son muchos los conocimientos que la investigación didáctica ha aportado posteriormente, gran parte de los presupuestos didácticos de la «Quí-


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mica Faraday» presentan aún cierta modernidad. Obviamente, las unidades del proyecto están estructuradas conceptualmente y carecen de una contextualización basada en las aplicaciones actuales de la química, que es uno de los criterios o requisitos esenciales hoy en día; pero desde el punto de vista de la secuenciación de los contenidos y de la construcción de modelos con relación a las evidencias experimentales, el proyecto ofrece, todavía, ideas interesantes para explorar y profundizar.

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El proyecto «Química Salters» Aureli Caamaño

IES Barcelona-Congrés Universidad de Barcelona La «Química Salters» es una adaptación de la primera edición del proyecto inglés «Salters Advanced Chemistry» elaborado por el Grupo de Educación Química de la Universidad de York (Burtons y otros, 1994). Este proyecto se estructura alrededor de una serie de trece narraciones (Storylines) y consta, además, de un libro de conceptos (Chemical Ideas) y un conjunto de actividades. En el texto que sigue se muestran las unidades originales de la primera edición del proyecto inglés. La adaptación para el bachillerato de nuestro país fue realizada por un equipo de profesores de secundaria y de universidad, de Barcelona, Madrid y Valencia, con el patrocinio del Centro de Desarrollo Curricular (CDC), del Ministerio de Educación y Ciencia (MEC), del Departamento de Educación de la Generalitat de Catalunya y de la Conselleria d’Educació i Cultura de la Generalitat de València. Unidades (Storylines) del proyecto «Salters Advanced Chemistry» (1994) 1. «Los elementos de la vida» (The Elements of Life). 2. «Desarrollo de combustibles» (Developing Fuels). 3. «De los minerales a los elementos» (From Minerals to Elements). 4. «La atmósfera» (The Atmosphere). 5. «La revolución de los polímeros» ( The Polymer Revolution). 6. «¿Qué es un medicamento?» (What’s in a Medicine? ). 7. «Usando la luz solar» (Using Sunlight ). 8. «Ingeniería de proteínas» (Engineering Proteins). 9. «La historia del acero» (The Steel Story ). 10. «Aspectos de agricultura» ( Aspects of Agriculture). 11. «Color por diseño» (Colour by Design). 12. «Los océanos» (The Oceans). 13. «Medicamentos por diseño» (Medicines by Design). 14. «Visitando la industria química» (Visiting the Chemical Industry ).

El rasgo más característico del proyecto «Química Salters» es el de ofrecer a los estudiantes una aproximación al estudio de la química mucho más atractiva que la que ofrecen los cursos tradicionales, basada en aprender la química a partir de sus aplicaciones (Grupo Salters, 1997, 1999). Sus objetivos más destacados son los siguientes: • Mostrar los métodos que utiliza la química y el trabajo que hacen los profesionales. • Enfatizar la relación de la química con nuestra vida cotidiana.


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• Mostrar las áreas punteras de la investigación. • Ampliar el abanico de actividades de aprendizaje que se utilizan en la enseñanza. • Tratar la química de manera rigurosa y práctica, de modo que proporcione una sólida base de conocimientos a los futuros estudiantes universitarios y, al mismo tiempo, satisfaga a los que emprendan estudios profesionales. La «Química Salters» (adaptación del proyecto «Salters Advanced Chemistry») consta de ocho unidades didácticas, estructuradas alrededor de temas de química y sociedad, una visita a una industria, y un trabajo de investigación individual. Cada una de las unidades consta de tres partes: • «Química y sociedad» es la narración que constituye el hilo conductor de cada unidad. Proporciona el contexto en el cual se desarrollan las ideas. A partir de los aspectos de la química cotidiana y del trabajo de los profesionales se nos aproxima al estudio de los principios químicos en los cuales se basan estos procesos. • «Conceptos químicos» explica los principios esenciales para la comprensión de la narración. Constituye la parte teórica del curso. • «Actividades» se caracterizan por utilizar una gran variedad de recursos y por potenciar el aprendizaje autónomo y en grupo. Muchas de ellas son trabajos prácticos. A lo largo de la narración hay llamadas que indican el momento oportuno para estudiar los conceptos relacionados y realizar las actividades, y la última de éstas que aparece en cada unidad, consiste en una revisión de todos los contenidos aprendidos. Los contenidos CTS y conceptuales de las unidades del proyecto «Química Salters» se muestran en el texto que aparece a continuación. Todas las unidades adaptadas están diseñadas para un tiempo lectivo de unas treinta horas. Los materiales experimentales de «Química Salters» se editaron en dos versiones, una en catalán (Grup Salters, 1999) y otra en castellano, y constan de guía didáctica. Unidades de la «Química Salters» (1995-1998) Primer curso

1. «Elementos de la vida». Un estudio de los elementos del cuerpo humano, del descubrimiento y clasificación de los elementos, y del origen de éstos en el sistema solar y en el universo. Conceptos químicos: cantidad de sustancia; fórmulas químicas; tabla periódica; modelos atómicos; espectros

de emisión y de absorción; química nuclear; enlace químico. 2. «Desarrollo de combustibles». Un estudio sobre los combustibles y el trabajo de los químicos para obtener mejores gasolinas. Conceptos químicos: ecuaciones químicas; cálculos estequiométricos; leyes de los gases; energía de las

reacciones; entalpía de enlace; hidrocarburos y alcoholes; catálisis. 3. «De los minerales a los elementos». Un estudio de la extracción y uso de tres elementos: el bromo, el cobre y el plomo.

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Conceptos químicos: reacciones rédox; ácidos y bases; sólidos iónicos y disoluciones iónicas; precipitación;

entalpía de disolución y de solvatación. 4. «La revolución de los polímeros». Un estudio del desarrollo de los polímeros desde su nacimiento hasta nuestros días y del problema de los residuos que generan. Conceptos químicos: polímeros; fuerzas intermoleculares; ácidos carboxílicos y sus derivados; alcoholes, fenoles y ácidos; ésteres; aminas y amidas. Segundo curso

5. «La atmósfera». Un estudio de los procesos que tienen lugar en la atmósfera y de su incidencia en el clima. Se abordan los problemas del agujero en la capa de ozono y del efecto invernadero. Conceptos químicos: teoría cinético-molecular de los gases; radiación y materia; alcanos halogenados; velo-

cidad de reacción; equilibrio químico. 6. «Aspectos de agricultura». Un estudio de la investigación química para asegurar buenas cosechas. Conceptos químicos: la química del carbono y del silicio; intercambio iónico; equilibrio ácido-base; ácidos fuertes y débiles; cálculo del pH; nitrógeno, amoníaco y nitratos. 7. «La química del acero». La producción del acero y los procesos industriales utilizados para protegerlo contra la corrosión. Conceptos químicos: los elementos de transición; formación de complejos; pilas y potenciales de electrodo;

electrólisis. 8. «Los océanos». Una descripción de los océanos y del papel que juegan en la regulación del clima y en la formación de las rocas. Conceptos químicos: enlace de hidrógeno; entropía y entalpía libre; equilibrio de solubilidad de compuestos

iónicos insolubles; forma de las moléculas.

La visita a una industria química El proyecto «Química Salters» propone una actividad importante para conectar los contenidos de Química con el mundo profesional, y consiste en una visita a una industria química. Durante los cursos 1996-1997 y 1997-1998 se realizaron diversas visitas y para cada una de ellas se preparó una ficha de presentación y un cuestionario para ser contestado por los estudiantes. Este trabajo está recopilado en una guía de visita a las industrias químicas que es facilitado a los centros que experimentan el proyecto «Química Salters».

La investigación individual Una de las características del proyecto que más interés despierta en los estudiantes es el trabajo de investigación individual. Éste es propuesto y realizado por cada estudiante y está supervisado por un profesor del Departamento de Física y Química. La temática de investigación es elegida, normalmente, entre una lista de sugerencias que se proporciona al estudiante, pero también puede ser propuesta por el propio alumno. Su planificación se lleva a cabo el último trimestre del primer curso y se realiza al final del mismo o bien en el primer trimestre del segundo curso.


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Se ha realizado un trabajo de selección de investigaciones adecuadas a los recursos de nuestros centros, con la finalidad de ofrecer a los alumnos una guía para la planificación, realización y presentación de los resultados de la investigación. Este trabajo se encuentra recogido en una guía del alumnado y en una guía didáctica para el profesorado. A continuación se muestra un listado de los trabajos de investigación que se proponen a los estudiantes. Trabajos de investigación del proyecto «Química Salters» • ¿Cuál es el mejor antiácido? • ¿Se pueden utilizar los pigmentos vegetales como indicadores ácido-base? • ¿Qué cantidad de cafeína contienen las bebidas de cola? • ¿Cómo se puede diferenciar el aceite de oliva del de girasol? • ¿Qué cantidad de cobre contienen nuestras monedas? • ¿Todas las lejías tienen la misma capacidad blanqueadora? • ¿Cuál es la concentración de calcio y magnesio en los diferentes tipos de leche? • ¿Cuál es la concentración de contaminantes en el agua de río? • ¿Qué factores influyen en el oscurecimiento de las frutas? • ¿Podemos aislar algunos principios activos de algunos analgésicos por cromatografía? • ¿Qué factores influyen en la descomposición del agua oxigenada? • ¿Cuál es el porcentaje de hierro en un clip? • ¿Qué factores influyen en la reacción de los metales con los ácidos? • ¿A qué velocidad se descompone la vitamina C de un zumo de frutas? • ¿Todos los detergentes contienen la misma cantidad de fosfatos? • ¿Cuál es el mejor método para sintetizar el ácido acetilsalicílico?

Resultados de la experimentación La mayor aportación del proyecto «Química Salters» fue demostrar que era posible organizar los contenidos de la Química del bachillerato de una forma contextualizada, al partir de las aplicaciones de la química en la vida cotidiana y de sus aportaciones a la sociedad y al conocimiento de los problemas ambientales. Los tres años de experimentación del proyecto (cursos 1996-1997, 1997-1998 y 1998-1999) en unos treinta centros de secundaria de Barcelona, Madrid y Valencia, concluyeron con un alto grado de satisfacción por parte del profesado experimentador y del alumnado. Esta experimentación permitió, además, constatar algunas dificultades. Entre ellas destacamos las siguientes: • Los contenidos incluidos en las ocho unidades eran excesivos para el tiempo disponible. Una solución sería considerar como opcionales alguna de las unidades actuales, total o parcialmente (por ejemplo, «La revolución de los polímeros» o «Los océanos»). Otra medida podría ser introducir en la guía didáctica una diferenciación entre contenidos y actividades básicos y complementarios.

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• La comprensión de las narraciones por los estudiantes requería una intervención bien planificada del profesorado. Algunas lecturas tendrían que ser simplificadas para facilitar su comprensión. • La disposición separada de la narración, los conceptos y de las actividades obliga a los estudiantes a realizar continuos saltos entre las tres secciones de cada unidad. A pesar de ello, se valora que la presentación final del proyecto en dos libros: uno de narraciones y otro de conceptos, permitirá un uso más flexible del proyecto, a la vez que posibilitará que el alumno disponga de los conceptos químicos agrupados y ordenados de acuerdo con la estructura propia de la disciplina. En un artículo de análisis de los proyectos de ciencias en España (Caamaño, 2006), María Jesús Martín Díaz, Marisa Gutiérrez y Miguel Ángel Gómez, del equipo de Madrid, opinaron: La «Química Salters» fue de capital importancia para entender por qué son útiles los contenidos de Química para comprender el mundo y la sociedad en que vivimos. Permite responder a los alumnos a la pregunta: ¿para qué me sirve la Química?, lo cual juega un papel fundamental en su motivación y su alfabetización científica. Creemos que el mayor escollo para su difusión ha sido el que no se consiguiera su publicación por una editorial. Las editoriales no han querido arriesgarse en un proyecto con una estructura y objetivos tan diferentes a los libros de texto tradicionales.

Sobre este punto, Tura Puigvert y Josep Corominas, del Grupo Salters de Barcelona, opinaron: Una de las dificultades más importantes para la implantación de un proyecto como la Química Salters es el tipo de pruebas de acceso a la universidad, que no contemplan los contenidos CTS ni los trabajos prácticos experimentales y que condicionan el tiempo que el profesorado puede dedicar a estos aspectos.

Rafel Llopis, coordinador del grupo de Valencia, comentó: Entre los logros del proyecto Salters hay que destacar la importante repercusión que ha tenido como material de referencia para la incorporación de actividades CTS en los cursos de Química del bachillerato.

El proyecto «Química Salters» ha sido también utilizado en cursos de formación permanente del profesorado de Química que se han realizado desde 1996 y en los cursos de adaptación pedagógica (CAP) de Física y Química de la Universidad de Barcelona y, más reciente mente, en el Máster de Educación Secundaria.

Unidades complementarias Durante el año 2000 se tradujeron al catalán y se adaptaron tres unidades más del proyecto original, que se publicaron agrupadas en dos unidades: • «Química dels medicaments» («Química de los medicamentos»), que reunía las unidades «¿Qué son las medicinas?» y «¿Cómo se diseña un medicamento?». • «Color per disseny» («Color por diseño»).


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A continuación se describen las narraciones y conceptos relacionados de estas unidades. Unidades complementarias de la «Química Salters» «Química de los medicamentos»

«¿Qué son los medicamentos?». Un estudio de los medicamentos y la industria farmacéutica, centrada en l a historia y la síntesis de la aspirina. «¿Cómo se diseña un medicamento?». Un estudio de los procesos de obtención y el efecto de los medicamentos, centrado en el etanol, la penicilina y el captropil. Conceptos: espectroscopia de infrarrojos; espectroscopia de resonancia magnética nuclear; espectroscopia de masas; cromatografia de gases; planificación de una síntesis; resumen de reacciones orgánicas. «Color por diseño»

Un estudio de la síntesis de los pigmentos y de los colorantes apropiados para dar color estable a mate riales de propiedades muy diversas. Se abordan, en la primera parte, las técnicas para investigar los pigmentos utilizados en las pinturas y en el trabajo de restauración de los cuadros antiguos; y, en la segunda parte, el desarrollo de los tintes sintéticos para la ropa. Conceptos: de dónde proviene el color; medida del color; espectroscopia visible y UV; aceites y grasas; cromatografía;

reacciones de los arenos; compuestos azoicos; química del color.

Materiales experimentales publicados Posteriormente a la experimentación, se revisaron las unidades y se realizó una publicación definitiva de la versión experimental en 1999 y 2000, por parte de las administraciones educativas de Cataluña (Grup Salters, 1999), Valencia y Madrid. Los centros experimentadores continuaron utilizando el proyecto «Química Salters» durante unos años, aunque cada vez más como fuente de lecturas y actividades CTS que como libro de texto. En Cataluña también se utilizó como material de referencia para la preparación de los trabajos de investigación de los alumnos de bachillerato.

«Química Salters» y el currículo actual de Química del bachillerato en Cataluña Ciertamente, la dificultad mayor para una generalización del uso de un proyecto «Química en contexto» como «Química Salters», o de otros con una orientación similar, han sido las pruebas de acceso a la universidad, que no han contemplado los contenidos CTS de los currículos. Esta situación ha hecho muy difícil la adopción por parte del profesorado de proyectos de este tipo. Sin embargo, en la actualidad, el currículo de Química de bachillerato en Cataluña recoge como nuevos contenidos, la mayoría de los contextos de las narraciones de «Química Salters». En el texto que sigue se muestran algunas de estas coincidencias. Por otro lado, las últimas orientaciones para la preparación de las pruebas de acceso a la universidad

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en Cataluña reconocen los contenidos CTS como elementos que pueden ser utilizados para contextualizar los enunciados de las cuestiones de los exámenes. Nuevos contenidos del currículo de Química del bachillerato en Cataluña coincidentes con los contenidos del proyecto «Química Salters» Primero de bachillerato

• Descripción del proceso de obtención de algunas sustancias elementales a partir de minerales. • Descripción de los primeros intentos de clasificación periódica de los elementos, del establecimiento de la tabla periódica de Mendeléiev y del concepto de periodicidad de los elementos a partir de sus propiedades. • Aplicaciones de algunos materiales: metales, cerámica y vidrios, nanotubos, cristales líquidos. • Caracterización de las propiedades de un buen combustible para motores de explosión: poder calorífico e índice de octano. Identificación de los procesos para mejorar las gasolinas: craqueo, isomerización y reformado. Valoración de la contaminación generada por los motores de combustión y métodos para reducirla. Análisis de las alternativas a la gasolina: los biocombustibles. • Caracterización de los procesos de síntesis de algunos compuestos orgánicos, en particular, y de algún medicamento. Descripción de métodos empleados para identificar principios activos en un fármaco con cromatografía de capa fina. • Relación entre las propiedades, estructura y aplicaciones de los polímeros. Caracterización de las reacciones de polimerización e identificación experimental de los polímeros a partir de sus propiedades. Segundo de bachillerato

• Descripción de los métodos actuales empleados en el análisis de las sustancias: espectroscopia IR y resonancia magnética nuclear. Fundamento de la espectroscopia de masas. • Relación entre la absorción de radiación IR y el efecto invernadero; y entre la absorción de la radiación UV y la concentración del ozono en la atmósfera. • Valoración de la importancia del pH en la agricultura. • Valoración de la importancia de la solución reguladora CO2/HCO3-/CO32- en sistemas como la sangre y los océanos. • Valoración de la importancia de los complejos en la industria y en moléculas de importancia biológica, como la hemoglobina y la clorofila. • Aplicación del concepto de catálisis y de reacción en cadena para comprender procesos como los catalizadores de triple vía de los vehículos, la catálisis enzimática y la acción de los CFC sobre la capa de ozono. • Descripción del funcionamiento de las pilas de combustible. Valoración de la importancia del hidrógeno como fuente de energía en sustitución de los combustibles fósiles. • Descripción del proceso de obtención del cloro y de la lejía a partir de la electrólisis de la salmuera. • Caracterización de la composición del acero y de su proceso de fabricación. Valoración y comprensión del proceso de corrosión de los metales.


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Ediciones posteriores del «Salters Advanced Chemistry» En el año 2000 se publicó una segunda edición del proyecto «Salters Advanced Chemistry» (Burton y otros, 2000). Esta nueva versión adaptó los contenidos al nuevo currículo inglés que dividía el bachillerato en dos cursos, «Advanced Subsidiary» (AS) y «Advanced 2» (A2), de modo que los alumnos podían cursar sólo la asignatura del primer curso (AS) o bien las dos (AS y A2). En 2008 ha aparecido una tercera edición (Denby, Otter y Stephenson, 2003), donde las narraciones aparecen recogidas en dos volúmenes («Chemical Storylines AS» y «Chemical Storylines A2»). Unidades («Chemical Storylines») del «Salters Advanced Chemistry» (2008) Advanced Subsidiary

1. «Elementos de la vida» (Elements of life). 2. «Desarrollo de combustibles» (Developing Fuels). 3. «Elementos del mar» (Elements from the Sea). 4. «La atmósfera» (The Atmosphere). 5. «La revolución de los polímeros» ( Polymer Revolution). Advanced 2

1. «¿Qué es un medicamento?» (What’s in a Medicine? ). 2. «La revolución de los materiales» (Materials Revolution). 3. «El hilo de la vida» (The thread of Life). 4. «La historia del acero» (The Steel Story ). 5. «Agricultura e industria» ( Agriculture and Industry ). 6. «Color por diseño» (Colour by Design). 7. «Los océanos» (The Oceans). 8. «Medicinas por diseño» (Medicines by Design).

El libro «Chemical Ideas» presenta los conceptos que se describen a continuación. Conceptos («Chemical Ideas») del proyecto «Salters Advanced Chemistry» (2008) • Medida de cantidades de sustancias. • Estructura atómica. • Enlaces, geometría y tamaños. • Estructura y propiedades. • Radiación y materia. • Equilibrio químico. • Ácidos y bases. • Rédox. • Velocidad de reacción.

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• La tabla periódica. • Química orgánica: hidrocarburos. • Química orgánica: funciones. • Síntesis orgánica. • Industria verde.

En la actualidad un grupo de profesores trabajan (Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias) en la actualización de las unidades de «Química Salters» para adaptarlas al nuevo currículo de Química del bachillerato en Cataluña.


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El proyecto «Chemie im Kontext» Fina Guitart

Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias. Departamento de Educación. Generalitat de Catalunya

Antecedentes y marco teórico El proyecto «Chemie im Kontext» (CHiK) es un proyecto curricular alemán para la enseñanza de la Química, financiado por el Ministerio de Educación alemán (BMBF), y elaborado por profesorado de Química de secundaria en colaboración con profesorado universitario (Parchmann, 2009). Sus actividades de enseñanza-aprendizaje han sido experimentadas en el aula y su objetivo es cubrir los contenidos y las competencias básicas del currículo de Química para todos los niveles de la educación secundaria. Estudios como el TIMSS y PISA han puesto de manifiesto la necesidad de mejorar los resultados de aprendizaje de los estudiantes; especialmente, desde el punto de vista de las competencias y la capacidad de aplicar el conocimiento. Diversas aportaciones de la investigación en didáctica de las Ciencias en el campo de la enseñanza y el aprendizaje indican que cada alumno construye su propio conocimiento y que es mejor adquirirlo a partir de una determinada situación o contexto, ya que el saber adquirido de este modo se puede utilizar y transferir mejor. Con el objetivo de mejorar el aprendizaje de la química y de acuerdo con las aportaciones de la investigación educativa citadas, un grupo de profesores de Química de secundaria y universidad iniciaron un proyecto de elaboración de unidades didácticas, que se enmarcan en una concepción de la enseñanza de la «química en contexto». Según los autores del proyecto, las propuestas de aprendizaje se consideran «en contexto» cuando los alumnos adquieren conocimiento y competencia en función de la necesidad de aprender , para conocer una temática de relevancia e interés para ellos mismos y la sociedad en general, a partir de sus propias preguntas e ideas. El punto de partida de una unidad didáctica es un contexto real que muestra la importancia de la química en la vida cotidiana. Los conocimientos del tema se desarrollan a partir de ese contexto y constituyen los conceptos de química fundamentales. Las unidades, que contemplan una gran variedad de metodologías, se estructuran en cuatro fases y se basan en los tres principios clave del proyecto, los cuales se explican a continuación: • El contexto como eje orientador . Los contextos, es decir, las temáticas relevantes desde el punto de vista personal o social, constituyen el atractivo principal y el punto de referencia de los estudiantes para desarrollar los conocimientos. A través de estos contextos, los alumnos se dan cuenta de que estudiar química puede serles útil en su vida cotidiana. Algunos ejemplos utilizados son las pilas de hidrógeno como

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combustible para el futuro, las substancias ácidas que puede contener una despensa y las bebidas energéticas. • Un contexto estrechamente vinculado a los conceptos básicos. Es especialmente importante y necesario que la enseñanza que utiliza el contexto como eje orientador, ofrezca al alumnado una estructura para el desarrollo sistemático y acumulativo de conocimientos y de su comprensión. Los conceptos y modelos básicos del saber químico (por ejemplo, el modelo de partículas o el concepto donador-aceptor en las reacciones ácido-base o redox), se elaboran y desarrollan a partir los datos y las explicaciones que aporta el contexto o la temática de la unidad. Estos modelos y conceptos se aplican luego a otros contextos. • Diversidad metodológica. La enseñanza en el proyecto «Chemie im Kontext» está caracterizada por la mayor diversidad metodológica posible. El aprendizaje centrado en el alumno es muy importante en diversas fases de las unidades, y el rol tradicional de profesores y alumnos cambia. La diversidad de metodologías es un elemento clave, en primer lugar, porque permite considerar la diversidad de intereses, ideas previas, capacidades y estilos de aprendizaje y, en segundo lugar, porque ofrece a los estudiantes situaciones en las cuales pueden desarrollar y aplicar competencias de todas las áreas del currículo.

Estructura de las unidades o secuencias de enseñanza-aprendizaje Las secuencias de enseñanza-aprendizaje constan de cuatro fases: 1. De contacto. 2. De curiosidad y planificación. 3. De elaboración 4. De síntesis y aplicación. Estas fases tienen distinta temporización y profundización. Después de la etapa de contacto, en la cual los estudiantes se familiarizan con el nuevo contexto, sigue un ciclo de curiosidad y planificación, donde los alumnos participan en la estructuración de las tareas. La fase de elaboración se caracteriza por ofrecer la mayor autonomía al estudiante, siempre bajo la orientación y supervisión del profesor. En la etapa final o fase de síntesis (profundización, abstracción y transferencia del saber), los conocimientos químicos recién adquiridos se extraen del contexto original, se relacionan con otros conceptos básicos y se aplican a nuevos contextos.

Contenidos de las unidades del proyecto El proyecto «CHiK» no se ha desarrollado para cubrir todo el currículo, sino como un con junto de unidades que ejemplifiquen de modo que los profesores de distintas escuelas y lugares puedan adaptarlo a su currículo y necesidades concretas. El proyecto consta de un conjunto de módulos de prueba y materiales didácticos, además de un libro de texto, un CD y una guía para el profesorado.


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Desde el punto de vista de las competencias, las unidades del proyecto están diseñadas, mediante unas actividades y una propuesta metodológica, para que los estudiantes desarrollen los cuatro bloques del contenido curricular: • Conocimiento: comprensión de conceptos básicos. • Naturaleza de la ciencia: métodos de investigación. • Comunicación: búsqueda y presentación de la información. • Opinión: reflexión y capacidad de actuación en los procesos de toma de decisiones. Las unidades están planteadas para dar respuesta a problemas reales y con sentido para el alumnado. Algunos títulos de las unidades son «Análisis de alimentos: ¿por qué, cómo y dónde?», «¿Dióxido de carbono y cambio climático?», «Materiales de diseño», «Una boca llena de química». Existen unidades para los diferentes niveles de la educación secundaria y los conceptos básicos que desarrollan a partir de una situación concreta son: materia y partículas; estructuras y propiedades; cambios energéticos; procesos donadores-aceptores (ácido-base, rédox); equilibrio químico y velocidad de reacción.

Ejemplos de unidades para las distintas etapas del currículo de secundaria «El catador: una introducción a la química» Esta unidad está diseñada para alumnos de 11-13 años y sus principales objetivos son la introducción de cuestiones y métodos químicos, entre ellos métodos experimentales como el análisis de mezclas o las propiedades de las substancias, así como la utilización de modelos para explicar los fenómenos. La fase de contacto cuenta la historia de los antiguos catadores y plantea cuál es su situación en la actualidad. Los experimentos que se llevan a cabo descubren situaciones sorprendentes para los alumnos, como puede ser la cantidad de azúcar que contiene un refresco, etc. En la fase de curiosidad y planificación, se pide a los estudiantes que planteen preguntas de su propio interés. En muchas ocasiones las cuestiones giran en torno a las substancias venenosas o a los aditivos e ingredientes de los alimentos y explican vivencias propias respecto a bebidas y comidas. La fase de desarrollo se divide en dos: la introducción de métodos experimentales y la presentación y uso de modelos. Los profesores pueden optar por ambas partes o dejar la segunda para otra unidad. La primera fase se puede empezar con el experimento de sumergir en agua diversas latas de refrescos. Los alumnos formulan numerosas hipótesis para explicar los fenómenos observados, lo cual conduce a la realización de nuevos experimentos para contrastar sus hipótesis y a la investigación de los ingredientes del refresco. Se introducen entonces los métodos de separación e identificación de sustancias como el azúcar, el ácido fosfórico y el dióxido de carbono en agua. También se aplican métodos de separación como la filtración y la destilación para separar los componentes de otras mezclas. Es decir, la unidad introduce los mismos conceptos y técnicas de una unidad tradicional, pero en un contexto de utilidad y de relevancia personal para el alumno. En la segunda parte, en la

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introducción de modelos, los alumnos dibujan sus ideas sobre los procesos y se presenta la necesidad de modelizar para explicar y predecir los fenómenos y procesos. En la fase final, de abstracción y transferencia de conocimiento, los alumnos sintetizan y aplican los métodos que han aprendido y la idea de un primer modelo de partículas. Contiene actividades de aplicación en diferentes comidas y bebidas, en el tratamiento del agua y en mezclas como los cosméticos.

«Combustiones deseadas, productos formados no deseados» Esta unidad, diseñada para alumnos de 13-15 años, parte de la importancia personal y social de los procesos que proporcionan energía para el consumo. Plantea cuestiones y problemas como la cantidad de combustibles fósiles que se utilizan, los productos no deseados que genera su uso y las posibles alternativas. La unidad enfrenta los alumnos a la concepción de la desaparición de la materia cuando se queman combustibles y al análisis de datos de aumento de la concentración de dióxido de carbono. Los alumnos trabajan en grupos e investigan el origen de diversos combustibles fósiles, de manera que surja la idea de ciclo. Para poder explicar este ciclo se introducen algunas ideas clave de la química, como las concepciones atómicas de Dalton, y se les pide que las apliquen para explicar los procesos cíclicos. De esta manera, se introduce la idea de átomo y de la conservación de éstos en un contexto relevante. Después, los alumnos deben realizar experimentos en los que aplicar el concepto de átomo y la conservación de la materia. Al final de esta unidad deben discutir sobre combustibles alternativos y predecir sus productos de reacción. «El coche de hidrógeno: ¿el coche del futuro?» Esta unidad se dirige a alumnos de la edad equivalente a nuestro bachillerato y parte de la discusión sobre los combustibles y el cambio climático ya iniciado en la unidad «Combustiones deseadas, productos formados no deseados». Se centra en las alternativas para el futuro. Introduce el concepto de energía eléctrica y su producción mediante pilas de combustible. A partir de algunos anuncios publicitarios, los alumnos representan sus ideas sobre las pilas de combustible, basadas en su conocimiento previo sobre baterías. Después, buscan información para aprender sobre las pilas de combustible que se utilizan en la actualidad y sobre las posibilidades de producción de hidrógeno. Es decir, la unidad les permite aplicar y profundizar en sus conocimientos sobre reacciones entre donadores y receptores de electrones, y sobre métodos de investigación, desarrollo y funcionamiento de las nuevas pilas de combustible. A la vez, los alumnos debaten y expresan sus razones para evaluar, en base a sus conocimientos de química, posibles técnicas futuras (por ejemplo, considerar la producción de hidrógeno, los costes, etc.). Por lo tanto, la unidad incluye áreas de conocimiento científico y de competencia científica. La combinación de diversas unidades debe conducir a la comprensión de los conceptos químicos fundamentales.

Desarrollo e implementación del proyecto La implementación del proyecto constituye un ejemplo de desarrollo de unidades o secuencias de enseñanza-aprendizaje en el seno de comunidades de aprendizaje, que ha permitido una estrecha cooperación entre profesores de secundaria y profesores universitarios de didáctica de las Ciencias. Este hecho garantiza que sea un proyecto que tiene en cuenta simultáneamente los resultados de la investigación en didáctica y la práctica en los centros


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de secundaria. El profesorado ha apoyado los cambios y el desarrollo del proyecto y ha constituido un elemento clave en su evolución. Al final de 2008, más de 200 profesores y más de 4.000 estudiantes ya habían participado en el proyecto y otros muchos docentes conocían y habían utilizado el material. La implementación del proyecto se ha acompañado de varios estudios de investigación empíricos, como la valoración de la percepción de los cambios por parte de los profesores y alumnos, y la evaluación de los resultados de aprendizaje. La percepción de los profesores mostró que se habían cumplido dos de los tres principios básicos del proyecto: la utilización de contextos como eje conductor de sus unidades, y un aumento en la variedad de los métodos de enseñanza utilizados, con una buena gestión de aula. Sin embargo, no se había puesto el mismo énfasis en el tercer principio del proyecto, el desarrollo de los conceptos básicos, lo que se supone pueda ser la causa de los bajos resultados de aprendizaje y motivación en algunas clases, mientras fueron muy buenos en muchas otras. Un estudio comparativo respecto a la percepción de los alumnos mostró un aumento de la motivación e implicación de los alumnos, aunque en función de los contextos y de las metodologías de enseñanza utilizadas. Globalmente, puede considerarse que la implementación del proceso ha sido un gran logro, si se tiene en cuenta que la enseñanza y aprendizaje en contexto sólo puede tener éxito si se enfatiza de la misma manera la utilización de contextos adecuados y la estructuración de los conceptos. Además, aunque los resultados de aprendizaje sean diversos, en general los estudios han mostrado, en las clases en las que se utilizaba «CHiK», mejores resultados o, como mínimo, resultados igual de buenos que en alumnos de otras clases en las que no se había implementado el proyecto. Hay que tener en cuenta que la transferencia de conocimiento a contextos distintos es una de las capacidades cognitivas más complejas y sólo se puede aprender y construir mediante la realización de una variedad de actividades de aplicación. Los autores del proyecto contemplan el desarrollo de las actividades con esta finalidad, así como para ayudar a la construcción de conceptos y modelos.

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Diseño de una actividad contextualizada

Los proyectos «Ciencia para el siglo XXI», «Química Faraday», «Química Salters» y «Chemie im Kontext» presentan un enfoque indagatorio, contextualizado y con objetivos de alfabetización científica. De acuerdo con esta línea: • Piensa en contextos reales adecuados para la secuencia de enseñanza de Química que tienes previsto realizar. • Toma uno de ellos para desarrollar una lectura y una actividad relacionada con el tema seleccionado. Para realizar esta actividad debes consultar el capítulo 3 del volumen: • CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó. Es importante acceder al máximo de actividades de estos proyectos, mediante la consulta de la pá gina web de los proyectos o bien de los materiales editados, en el caso de que éstos sean accesibles.

Actividad 2

Planificación de una secuencia de enseñanza: indagación y contextualización

En el capítulo 3 del volumen Didáctica de la Física y la Química se han ofrecido modelos para el diseño y la validación de secuencias didácticas, y en este capítulo se han presentado diferentes ejemplos de proyectos para la enseñanza de la Química. Con esta información: • Escoge un tema –puede ser el que se tenga previsto implementar en el periodo de prácticas– y plantea el contexto y el modelo explicativo que se va a usar y la secuencia de cuestiones que guiarán la indagación correspondiente. • Toma como ejemplo la forma de proceder de la secuencia «Propiedades acústicas de los materiales» del capítulo anterior (en el apartado «Indagación y modelización sobre las propiedades acústicas de los materiales en el proyecto curricular “Materials Science”») o la de cualquiera de las secuencias de enseñanza de los proyectos de Química presentados en este capítulo. Es preciso documentarse sobre secuencias de enseñanza ya existentes con objetivos similares, dificultades conceptuales de las ideas involucradas, concepciones alternativas de los estudiantes sobre este tema, etc. Para realizar esta actividad debes consultar el capítulo 3 del volumen: • CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó.


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4. EXPERIMENTOS E INVESTIGACIONES EN QUÍMICA


• Experiencias POE, experiencias ilustrativas e investigaciones • Ejemplos

Josep Corominas

Escola Pia. Sitges Muchos de los contenidos de la educación secundaria que se imparten a los estudiantes en las clases de Química tienen un nivel conceptual elevado, que les exige una manera de razonar formal. De hecho, uno de los factores que hacen difícil la química es la desigualdad entre el nivel de abstracción de los contenidos y el nivel cognitivo de los estudiantes (Roadruck, 1993). Se hace necesario, por tanto, disponer de una diversidad de actividades experimentales que no se limiten a la observación, sino que ayuden a la comprensión de los fenómenos que ponen de manifiesto los experimentos.

Experiencias POE, experiencias ilustrativas e investigaciones La inclusión de experiencias y experimentos en las clases que permitan ver, oler y manipular sustancias y materiales, así como medir sus propiedades, puede llevar a un conocimiento más profundo de la materia. Pero los experimentos no son particularmente útiles si los estudiantes se limitan a ver, oler y manipular sin verse obligados a pensar en lo que están observando o haciendo. Son necesarias, por tanto, actividades prácticas que ayuden a nuestros alumnos a interpretar los hechos observados a partir de los modelos y a relacionar los resultados obtenidos con las predicciones. Las experiencias pueden ser de tipo observacional (para tener un conocimiento empírico del fenómeno), ilustrativas o interpretativas. Este último tipo de experiencias es útil plantearlas, siempre que sea posible, como experiencias de predicción-observación-explicación (POE). Cuando la experiencia se realiza para reproducir un fenómeno en unas condiciones determinadas o contrastar una hipótesis, se habla de experimentos, los cuales, generalmente, requieren la medida y el control de variables. Por otro lado, la indagación y la experimentación son

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competencias científicas específicas de la química que pueden ser abordadas a través de trabajos prácticos de investigación, que se caracterizan por una fase inicial de percepción del problema y de planificación conjunta (profesor-alumnos), una fase de realización y obtención de la solución, y una fase de evaluación y comunicación de los resultados (Caamaño y Corominas, 2004). Otro aspecto importante es el contexto en el cual se presentan las actividades experimentales. Los actuales currículos de Ciencias inciden, especialmente, en la contextualización (Caamaño y otros, 2008); por esta razón debe intentarse que las actividades prácticas queden enmarcadas en un contexto. Por último, siempre que sea posible, es importante utilizar materiales y productos asequibles y fáciles de obtener.

Ejemplos Las actividades que se proponen a continuación son de tres tipos: experimentos ilustrativos (EI), experimentos POE e investigaciones (I). En el cuadro 1 se muestra la relación de actividades propuestas con indicación del nivel apropiado (ESO 12-14, ESO 12-16, o bachillerato), y los contenidos conceptuales del currículo a los que hace referencia. Como se puede ver, una misma actividad práctica puede utilizarse en diferentes niveles educativos, convenientemente adaptada. Cuadro 1. Clasificación de las actividades experimentales que se proponen

TÍTULO

NIVEL

CONTENIDO CONCEPTUAL

4 1 2 1 O S E

a r u t c u r t s e y s e d a d e i p o r P

6 1 4 1 O S E

o t a r e l l i h c a B

s e n o i c c a e r s a c c i t s í r e t c a r a C

s e s a b y s o d i c Á

x o d é R

a c i m í u q o m r e T

o c i m í u q o i r b i l s u l a q i E P

Experimentos POE ¿Son aditivos los volúmenes? ¿Pesará igual, más o menos? ¿Hacia dónde se inclinará la balanza?

• •

• • •

¿Cuál es la proporción estequiométrica correcta? ¿Cómo evoluciona una reacción química?

•

x x x x x

• • •

x x

x

Experimentos ilustrativos (EI) Difusión de los gases (EI, POE)

•

Equilibrio CO2(g)-CO2(aq)

• •

x

•

x

x

Investigaciones (I) ¿Cómo clasificar las sustancias? ¿Cómo conseguir frío y calor? ¿Cómo determinar el poder calorífico de un combustible? ¿Cómo construir una pila electroquímica con material de oficina?

• • •

• •

x x

x x

x x x

EXPERIMENTOS E INVESTIGACIONES EN QUÍMICA

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¿Cómo determinar el poder calorífico de un combustible? Tipo: investigación Nivel: ESO y bachillerato Planteamiento del problema

El poder calorífico de un combustible es la energía que se transfiere en forma de calor al quemar una determinada masa de combustible. Se presentan varias posibilidades para plantear la investigación: • Determinar el poder calorífico de un alcohol, del butano o de la parafina (las velas que se usan para calentar los platos en la mesa). • Comparar el poder calorífico de diferentes alcoholes. • Comparar varios combustibles para decidir cuál es el mejor y, además del poder calorífico, valorar otros factores como su precio, toxicidad, facilidad de manejo, etc. Para los alcoholes, se necesita una lamparilla de alcohol. Si el combustible es el butano, muchos de los encendedores para cocina o cigarrillos utilizan este gas. Planificación de la investigación

El alumnado recibe un cuestionario-guía para reflexionar y discutirlo en el grupo-clase. Modelo de cuestionario-guía • ¿Qué magnitudes debemos medir para calcular el poder calorífico de un combustible? • ¿Cómo podemos saber cuánto combustible se ha quemado durante un cierto tiempo? • ¿Cómo podemos determinar el calor desprendido durante la combustión? Supongamos que el calor de la llama se usa para calentar una determinada masa de agua. ¿Qué debemos hacer para conocer el calor transferido al agua?

Posteriormente, se solicita a los alumnos y las alumnas que expliquen por escrito (en sus libretas) el procedimiento experimental que sirva para realizar las medidas que permitan calcular el poder calorífico del combustible. Es el momento de consultar con el profesor o la profesora si el diseño es correcto. Realización del experimento y toma de datos

El alumnado recoge los datos en una tabla como la siguiente y calcula la masa de combustible quemado y el incremento de temperatura del agua (cuadro 2). Cuadro 2. Tabla de recogida de datos

Masa del combustible antes de empezar a quemar/g Masa del combustible después de quemar/g

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Masa de combustible quemado/g Temperatura final del agua calentada/ºC Temperatura inicial del agua/ºC Incremento de la temperatura/ºC Cálculos

Se calcula: • El calor transferido a la masa de agua del recipiente. • El poder calorífico del combustible (en kJ/g). Resultados

Los alumnos y las alumnas anotan los resultados en una tabla similar a la que presentamos en el cuadro 3. Cuadro 3. Tabla de recogida de resultados

COMBUSTIBLE

PODER CALORÍFICO/kJ·g-1

Análisis del resultado

Comparan sus resultados con los valores del cuadro 4. Cuadro 4. Valores tabulados

COMBUSTIBLE

PODER CALORÍFICO/kJ·g-1

Butano

49,6

Etanol

29,7

Se pide que sugieran alguna explicación en el caso de que los resultados obtenidos difieran notablemente de los valores tabulados.

¿Cuál es la proporción estequiométrica correcta? Tipo: experimento POE Nivel: bachillerato Tras conocer los reactivos y productos de una reacción de oxidación-reducción, la del aluminio con los iones de cobre (II) en disolución, se trata de predecir la estequiometría de la reacción y de contrastar las predicciones con el resultado observado. La reacción entre los iones Cu2+ y el aluminio es una reacción de oxidación-reducción. El aluminio reduce el Cu2+ a metal cobre en presencia de iones cloruro, y se oxida a Al3+. La pre-


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sencia de iones cloruro, Cl-, es indispensable para que se produzca la reacción. En realidad, el «papel de aluminio», al igual que cualquier muestra del metal aluminio está recubierto por una fina capa de óxido, Al2O3 fuertemente adherida. Los iones cloruro, Cl-, y los iones Al3+ del óxido, forman un ión complejo, el AlCl4- , soluble y muy estable. Por tanto, gracias a esta acción, el metal aluminio queda en contacto con los iones Cu2+ y se inicia la reacción, que es muy exotérmica. El AlCl4- se hidroliza y forma HCl. Materiales

Se requiere: • Papel de aluminio. • 100 cm3 solución acuosa de cloruro de cobre 1,0 mol dm-3. • Vasos de precipitados de 100 cm3 (4) (o cualquier recipiente de vidrio). • Balanza (sensibilidad 0,01 g). Presentación de la predicción

Los iones Cu2+ (aq) reaccionan con el aluminio en una reacción de oxidación-reducción. El aluminio se oxida a iones Al3+ y los iones Cu2+ se reducen a Cu. Una vez escrita e igualada la ecuación química, se trata de predecir cuál de cuatro posibles proporciones de cantidades de reactivos será la que corresponderá a una reacción completa y cuál o cuáles corresponderán a un exceso de uno de los reactivos. Procedimiento

Con el grupo-clase, se sigue este procedimiento: 1. Se mide una longitud de papel de aluminio de 1,00 m. Se dobla sin arrugarlo demasiado y determina su asa con la balanza. Así sabremos qué superficie hay que recortar para tener una determinada masa de aluminio. 2. Se prepara cuatro vasos de precipitados (o recipientes de vidrio) con los siguientes volúmenes de solución de CuCl2 (aq): dos de 30 cm3 y dos de 20 cm3. A continuación, se recortan trozos de papel de aluminio, de manera que las masas sean: dos de 0,81 g, una de 0,45 g y una de 0,27 g (imagen 1).

30 cm3

20 cm3

30 cm3

20 cm3

0,81 g

0,27 g

0,54 g

0,81 g

Imagen 1. Preparación de los reactivos para la reacción entre los iones Cu 2+ y el Al

3. Se completa la tabla siguiente (cuadro 5, en página siguiente) para calcular la proporción de las cantidades de Cu2+ y Al presentes en cada reacción.

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Cuadro 5. Tabla que el alumnado ha de completar para predecir cuál será la proporción correcta ML DE SOLUCIÓN 3

2+

1,0 mol·dm DE IONES Cu 30 cm3 20 cm3 30 cm3 20 cm3

MASA DE Al/g CANTIDAD DE CANTIDAD 2+ IONES Cu /mol DE Al/mol

PROPORCIÓN mol Cu2+/mol Al

0,81 g 0,27 g 0,54 g 0,81 g

Predicción

De acuerdo con la ecuación química y las proporciones de la tabla que se ha completado, se responden a determinados interrogantes, tal como muestra el ejemplo. Interrogantes para predecir • ¿En qué casos la reacción será completa y no sobrará ninguno de los reactivos? • ¿En qué casos sobrará uno de los reactivos y cuál será el reactivo limitante?

Observación

Se corta, ahora, el papel de aluminio en trozos pequeños. Se introduce el fragmento correspondiente en cada uno de los vasos y se observa lo que ocurre. Conclusiones

El alumnado redacta sus conclusiones sobre la estequiometría de esta reacción.

¿Hacia dónde se inclinará la balanza? Tipo: experimento POE Nivel: ESO Se presenta a los estudiantes una balanza de brazos iguales, en uno de los platillos hay lana de acero (hierro) de grano 00 o 000 y, en el otro, pesas para equilibrarla (imagen 2). Se trata de predecir qué le ocurrirá a la balanza al encender la lana de hierro y observarlo posteriormente. Predicción

Después de la observación, se plantea al alumnado una actividad para predecir y argumentar, tal como muestra el ejemplo. Imagen 2. Balanza con lana de acero equilibrada


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Observa que tenemos la balanza equilibrada. ¿Cómo crees que quedará la balanza si acercamos una llama a la lana de hierro?: • ¿Bajará el platillo de las pesas? • ¿Bajará el platillo con la lana de hierro? • ¿Se quedará igual que antes? Argumenta tu predicción.

Observación

Una vez se han recogido las predicciones, se acerca una llama a la masa esponjosa de hierro. Se observa una oxidación muy exotérmica. La balanza se inclina, claramente, del lado del hierro oxidado. Interpretación

Se solicita la interpretación de lo que se ha observado. Se puede reequilibrar la balanza con más pesas para medir la masa de oxígeno que ha reaccionado con el hierro Cuestión adicional

También pueden plantearse cuestiones complementarias añadidas. Cuando se quema un papel o una madera, ¿sus cenizas pesan igual que el papel o la madera inicial? Justifica tu respuesta.

¿Pesará igual, más o menos? Tipo: experimento POE Nivel: ESO Se presenta a los estudiantes una balanza, una botella de una bebida carbónica con un poco de agua y unos comprimidos efervescentes (imagen 3). Predicción

comprimidos efervescentes

52,53 g

Imagen 3. ¿Pesará igual, más o menos?

El proceso que se sigue es el siguiente: 1. En primer lugar, se pide a los alumnos que describan lo que ocurrirá si se introduce un comprimido efervescente en agua. Seguidamente, se realiza la acción y se solicita una interpretación de lo que significa la efervescencia observada. Debe quedar claro que se genera un gas.

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2. Se plantea ahora repetir el experimento tres veces con alguna variación. En cada ocasión hay que hacer una predicción de si variará o no el peso (lo que se comprobará con la balanza) y, en el caso de que la suposición sea afirmativa, si ésta implicará un aumento de masa o una disminución de la misma. • Primer experimento: con la botella encima de la balanza, junto con el comprimido, introducimos éste en el agua. • Segundo experimento: igual que antes, pero pesamos, también, el tapón. Ahora, una vez hayamos incorporado el comprimido al agua, taparemos rápidamente la botella con su tapón de rosca. • Tercer experimento: igual que en el primer caso, pero pesamos también un globo. Una vez introducido el comprimido en el agua, taparemos rápidamente la botella con el globo. Observación e interpretación

Las conclusiones son las siguientes: • Evidentemente, en el primer experimento, al terminar la efervescencia, la balanza indica una disminución de peso, debido al gas carbónico que se ha escapado. • En el segundo experimento, la masa permanece invariable, al no escaparse el gas y ser el recipiente suficientemente resistente para que no varíe su volumen debido a la presión del gas formado. • En el tercer experimento, la balanza marca un peso menor que el inicial, debido a que el gas hincha el globo y el aumento de volumen da lugar a una fuerza ascensional que realiza el aire (principio de Arquímedes). Comentario

La mayoría de los alumnos predice correctamente lo que ocurrirá en los dos primeros experimentos, pero acostumbra a errar en el último, al olvidar que la variación de volumen implica la aparición de un factor nuevo en el experimento. Se debe aprovechar la oportunidad para destacar que, por esta razón, no es posible usar un globo para determinar la masa de un gas, simplemente, al pesar el globo vacío y luego lleno del gas.

¿Cómo conseguir frío y calor? Tipo: investigación Nivel: ESO Planteamiento del problema

Queremos disponer de un sistema para calentar y de otro para enfriar a partir de la mezcla de dos sustancias. Disponemos de cinco productos que se pueden encontrar fácilmente en casa: agua, vinagre, bicarbonato de sodio, cloruro de calcio (se emplea para absorber la humedad ambiental) y nitrato de amonio (se usa como abono para el jardín). Debes averiguar, mez-


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clándolos de dos en dos, qué combinación produce un mayor aumento de la temperatura y cuál hace que ésta disminuya más. Diseño del experimento y aplicación

Es necesario que el alumno anticipe algunos aspectos que se deben tener en cuenta para el diseño del procedimiento. Preguntas para el diseño • ¿En qué recipiente harás las mezclas? • ¿Qué magnitudes vas a medir? • ¿Qué magnitudes deben mantenerse invariables?

Una vez se haya resuelto el problema surgen interrogantes respecto de la aplicación; por ejemplo: «¿podrías sugerir un sistema de transporte y mezcla fácil de las dos sustancias, de manera que, aun estando lejos de casa o de un laboratorio, se pueda generar un aumento o una disminución de temperatura?». Comentario

Para resolver el problema se deben mezclar cantidades fijas de cada sustancia y medir la temperatura antes y después de combinarlas. El diseño del experimento debe servir para que el alumnado tenga en cuenta que debe usar siempre cantidades iguales de reactivos, lo cual implica tener que pesarlos previamente. Si se plantea en los primeros cursos de la ESO, el concepto de cantidad de sustancia se desconoce, por tanto nos limitamos a medir masas iguales. Para los últimos cursos de la ESO, se pueden usar cantidades de sustancia iguales (el vinagre es una solución de ácido etanoico del 6% en masa, es decir, de una concentración aproximada de 1 mol dm-3). Los resultados pueden recogerse en una tabla de doble entrada. La mezcla más exotérmica es la del cloruro de calcio y agua. Las más endotérmicas, la del nitrato de amonio y agua, y la del vinagre y bicarbonato de sodio. Puede hacerse referencia a los diferentes dispositivos que hay en el mercado y que se basan en estas reacciones (Corominas, 2005).

¿Son aditivos los volúmenes? Tipo: experimento POE Nivel: bachillerato Presentación del experimento y predicción

Se presentan a los estudiantes dos probetas, llenas con el mismo volumen de líquido, una con agua y otra con etanol. Los volúmenes pueden ser de 100 ml. Se pide que predigan si al mezclar los dos líquidos el volumen total será la suma de los dos o habrá variación.

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Observación

Los dos líquidos se vierten con cuidado en una probeta de 250 ml y se agita, suavemente. La mezcla muestra que el volumen total disminuye respecto a la suma de los dos volúmenes por separado. Se puede notar, también, un aumento de la temperatura. Los volúmenes de líquidos, en este caso, no son aditivos.

Etanol

Agua

Una variante más vistosa y que consume menos productos se muestra en la siguiente serie de fotografías (imágenes 4 y 5). Se utiliza un tubo de metacrilato de 1 cm de diámetro con tapones en los dos extremos. Primero se coloca agua con colorante alimentario azul hasta una altura un poco menor de la mitad del tubo. A continuación, se añade despacio, procurando que no haya mezcla, el etanol con colorante amarillo (imagen 4) y hay que intentar que quede prácticamente lleno.

Imagen 4. Tubo con volúmenes iguales de agua y etanol coloreados Contracción de volumen

Se tapa el tubo y se marca el nivel de líquido. Ahora se debe voltear el tubo varias veces para facilitar la mezcla. El líquido resultante es de color verde y se observa, claramente, una disminución de su nivel (imagen 5). Interpretación

La mezcla disminuye de volumen al formarse enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y del etanol, de manera que hay una compactación mayor de las moléculas. La formación de enlaces de hidrógeno libera calor. Imagen 5. Después de la mezcla

¿Cómo clasificar las sustancias según sus propiedades con relación a su estructura? Tipo: investigación Nivel: ESO Planteamiento del problema

La siguiente clave dicotómica (cuadro 6 en página siguiente) permite clasificar las sustancias puras según el tipo de estructura y en función de las propiedades que se observan.


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Cuadro 6. Clave dicotómica para identificar estructuras según las propiedades observadas

Es un sólido ... 1 Es un líquido o un gas ... 2

1

Conduce la corriente ... estructura metálica No conduce la corriente ... 3

2

Conduce la corriente ... estructura metálica (es mercurio) No conduce la corriente ... estructura molecular

3

Funde fácilmente ... estructura molecular No funde con facilidad ... 4

4

No es soluble en agua y tiene dureza elevada ... estructura gigante covalente atómica Es soluble en agua y la solución conduce la corriente ... estructura iónica

Diseño de la investigación Se solicita a los alumnos y alumnas la planificación de un conjunto de pruebas que les permitan conocer el tipo de estructura que corresponde a cada una de las muestras de que disponen.

Se recogen los datos en una tabla como la siguiente (cuadro 7). Cuadro 7. Tabla de recogida de datos

MUESTRA

ESTADO FÍSICO

DUREZA (PARA LOS SÓLIDOS )

CONDUCTIVIDAD DEL SÓLIDO

¿FUNDE

¿SOLUBLE FÁCILMENTE? EN AGUA?

¿LA SOLUCIÓN ES CONDUCTORA?

1 2 ... Comentario Los estudiantes deben disponer de: una pequeña colección de sustancias, la posibilidad de montar un circuito simple para comprobar la conductividad eléctrica, y algún sistema para investigar la solubilidad y la dureza.

También deberían contar con una fuente de calor a su disposición (por ejemplo, un vaso con agua muy caliente para poder sumergir la muestra en un tubo de ensayo y comprobar si funde a una temperatura relativamente baja).

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Las muestras podrían ser: metales (hilo de cobre, clavos de hierro); una pequeña cantidad de etanol absoluto; cera o parafina; un trozo de cerámica o un cristal de cuarzo; unos cristales de sal común (cloruro de sodio) o de sulfato de cobre.

Difusión de los gases Tipo: experimento POE Nivel: bachillerato Información previa

El experimento tiene como finalidad poner en evidencia un aspecto de la teoría cinéticomolecular: la velocidad cuadrática media de un gas ideal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de sus moléculas. Por tanto, para dos gases A y B, puede escribirse: vA = vB

mB mA

La velocidad de difusión de cada gas es directamente proporcional a la velocidad cuadrática media de sus moléculas. En consecuencia: v difusión ( A) = v difusión (B)

mB mA

Predicción

Pedimos que el alumnado compare las velocidades de difusión de los gases amoníaco y cloruro de hidrógeno. Predicción En función de las propiedades ácido-base de los dos gases, ¿de qué manera podríamos hacer un seguimiento del proceso de difusión desde los extremos de un tubo hacia el centro? Tras medir la longitud del tubo, haced una predicción del punto donde se encontrarán las moléculas de uno y otro gas en el proceso de difusión.

Materiales

Se necesita: • Tubo de polimetacrilato de 0,5 m o 1 m de longitud, con un diámetro aproximado de 2 cm. • Dos tapones de goma horadados que ajusten al tubo. • Bastoncillos para higiene de los oídos.


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• Solución al 20% (en volumen) de amoníaco. • Solución al 37% (en masa) de ácido clorhídrico. • Tira de papel indicador de igual longitud que el tubo. Puede ser universal o una tira de papel de filtro impregnada con jugo de col lombarda. Procedimiento

Hay que seguir los siguientes pasos: 1. Fijar la tira de papel indicador dentro del tubo, de manera que quede estirada en toda su longitud (imagen 6).

Imagen 6. Preparación del tubo para la difusión de los gases

2. Insertar cuatro medios bastoncillos en el orificio de cada tapón. 3. Mojar cada uno en las soluciones respectivas. 4. Tapar el tubo con los tapones, procurando hacerlo simultáneamente. 5. Observar cómo el papel indicador cambia de color, a medida que cada uno de los gases se difunde a través del aire del interior del tubo. Advertencias de seguridad

Se deben tomar estas precauciones: • Tener las soluciones en una campana con ventilación. Usar gafas de seguridad y guantes. • El amoníaco y el ácido clorhídrico son cáusticos. Lavar con abundante agua si entran en contacto con la piel. Interpretación

La velocidad de difusión de los gases es directamente proporcional a la velocidad cuadrática media de sus moléculas. El experimento pone en evidencia un aspecto de la teoría cinético-molecular: la velocidad cuadrática media de un gas ideal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de sus moléculas. Para el caso de estos gases, la relación es: vNH3 = vHCl

36,5 = 1,46 17

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¿Cómo construir una pila electroquímica con material de oficina? Tipo: investigación Nivel: ESO y bachillerato Información previa

La diversidad de materiales que se encuentran en la mesa de trabajo de un despacho, de una oficina o de la mesa del estudiante sugiere una pequeña investigación con los objetos metálicos como tijeras, clips, sacapuntas y grapas (Corominas, 2005): • Hay una gran diversidad de sacapuntas: de plásticos y metálicos. Entre los metálicos los hay de zinc, de aluminio y de magnesio. La hoja de corte es de acero. • Las tijeras suelen ser de acero, algunas con mangos de polímeros. • Las grapas pueden ser de hierro, recubiertas de cobre o galvanizadas (con una fina capa de zinc). • Los clips son de acero con un porcentaje de manganeso entre el 0,3 y el 0,5%. Planteamiento del problema

La diversidad de metales sugiere la posibilidad de investigar los potenciales eléctricos que se obtendrían si se montan diferentes pilas electroquímicas con ellos. Usaremos papel de filtro mojado con agua como electrolito. El agua del grifo aporta los iones suficientes para ello. Se trata de encontrar la combinación de materiales conductores (metales y minas de lápices) que nos proporcione la FEM más elevada. Realización

Se juntan parejas de objetos; se conectan los cables del polímetro en la escala de 2 V a cada uno de ellos, y se utiliza papel mojado en agua entre ambos para formar una pila electroquímica. Comentario

Con los valores referidos al grafito, en orden decreciente de voltajes tenemos: Mg, Al, Zn, Fe (acero), Cu. El voltaje mayor se obtiene con un sacapuntas de magnesio y el grafito. Si miramos una tabla de potenciales estándar de reducción, la FEM que correspondería a una pila formada por las semipilas Mg/Mg2+ y 2H+ /H2 es de 2,37 V. Las condiciones que tenemos están muy lejos de ser estándar. El agua aporta una muy baja concentración de iones H+. El grafito es el electrodo inerte. Los sacapuntas o afilalápices de aluminio y de zinc se venden en las papelerías y en las secciones de papelería de los grandes almacenes. Hay que tener paciencia porque a menudo


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las tiendas tienen remesas, sólo, durante un cierto tiempo. Se distinguen, fácilmente, los de aluminio de los de zinc por su peso. Los sacapuntas de magnesio son de marcas alemanas como M+R, Dux, Kum. Hay que buscarlos en casas especializadas en artículos para dibujo y bellas artes. Hasta hace pocos meses también los fabricaba Staedtler, pero actualmente son de zinc con una capa de pintura que los hace aislantes eléctricos. Si se tiene uno de esta marca de hace unos años, seguro que es de magnesio.

Equilibrio químico CO2 (g) - CO2 (aq) Tipo: experimento ilustrativo Nivel: bachillerato

El objetivo de este experimento es mostrar cómo cambia el equilibrio CO2(aq)  CO2(g) al variar la presión del CO2. Ello requiere construir un simple dispositivo que consiste en un tapón para botella de bebida, provisto de una válvula de neumático de bicicleta. Materiales

Se necesita: • Botella vacía de una bebida carbónica, con su tapón de rosca. • Válvula de neumático de bicicleta (imagen 7). • Adhesivo de resina epoxi (Araldit®). Imagen 7. Tapón con válvula

Procedimiento

Hay que realizar dos tareas: • Horadar el tapón de la botella según diámetro de la válvula. • Encolar la válvula. Para la demostración: • Poner unos trozos de carbonato de calcio en el fondo de la botella (trozos pequeños de mármol, roca calcárea o conchas de moluscos). • Añadir agua hasta las tres cuartas partes y, a continuación, entre 20 y 30 ml de ácido clorhídrico, 1 mol dm-3. Existen dos opciones: • Opción 1: no disponemos de suministro de CO 2. - Esperar varias varias horas hasta hasta que cese el burbujeo y se alcance el estado estado de equilibrio. equilibrio.

100


- Comprobar Comprobar cómo la botella botella contiene contiene un gas a presión presión elevada y, y, a pesar de haber haber un medio fuertemente ácido, no se observa la formación de burbujas de gas. El carbonato de calcio, aparentemente, no reacciona. - Dejar escapar escapar un poco de gas; inmediatamente, inmediatamente, reaparecen reaparecen las burbujas, burbujas, señal señal de que, al disminuir la presión, se ha roto el equilibrio y el sistema genera más CO 2, para recuperar el el equilibrio. • Opción 2: disponemos de suministro fácil de CO2. - Mientras se produce produce la efervescenc efervescencia, ia, inyectar inyectar CO2 a través de la válvula. La producción de burbujas cesa inmediatamente: se ha alcanzado un estado de equilibrio. - Dejar escapar escapar un poco poco de gas: reaparec reaparecen en las burbujas. burbujas. - Iny Inyect ectar ar de nue nuevo vo CO2: se recupera el estado de equilibrio. - Repetir el el proceso múltiples múltiples veces, veces, si se considera considera necesario. necesario. Comentario

Un suministro fácil de gas carbónico son los cartuchos usados para hinchar neumáticos de bicicletas, a la venta en tiendas de deporte. También hay cartuchos con CO2 para rellenar bebidas tipo «sifón» en comercios de suministros sumi nistros para hostelería y hogar. En ambos casos se necesita el soporte para poder sujetar el cartucho de gas al inyectar.

¿Cómo evoluciona una reacción química? Tipo: experimento POE Nivel: ESO El objetivo de esta experiencia es hacer el seguimiento de una reacción química y medir las variaciones de temperatura del sistema reaccionante cuando se añade uno de los reactivos. Asimismo, debe encontrarse una respuesta a la pregunta «¿Cómo podemos saber que la reacción ha terminado?». Información previa

La reacción de neutralización entre el hidróxido de d e sodio y el ácido clorhídrico es exotérmica (desprende calor). Dispondremos los reactivos de la siguiente manera: el ácido en un vaso de plástico bien aislado y la base en una bureta, de manera que podamos verter cantidades controladas de la base sobre el ácido. Disponemos de 20 ml de solución del ácido de concentración 1 mol dm-3. La bureta contiene 50 ml de solución de hidróxido de sodio 1 mol dm-3. Un sensor colocado dentro de la solución del ácido nos permite saber la temperatura. De jaremos caer solución soluc ión de hidróxido de sodio en volúmenes vo lúmenes de 5 ml m l en 5 ml sobre sob re el ácido, hasta haber vertido 40 ml en total y esperaremos unos instantes entre cada vertido para medir la temperatura.


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Predicción

Se pide anticipar qué aspecto se supone que tendrá un gráfico gráfi co de temperatura en función del tiempo transcurrido a medida que se vierta la base. Realización práctica (observación)

La realización de la actividad se muestra en la imagen 8.

Sensor de temperatura

Vaso de plástico Aislamiento de porexpan

Imagen 8. Montaje para seguir la evolución de una reacción química con un equipo de captura de datos por sensor de temperatura

Interpretación

La predicción debería tener presente que la temperatura aumenta hasta que se produce la neutralización total del ácido. Después ya no puede haber aumento de la temperatura, lo cual significa que la reacción ha terminado. Los aumentos se producen de forma escalonada, por que se añade la base, en pequeños volúmenes, y se espera unos instantes hasta que la temperatura se estabiliza. Los aumentos son cada vez menores al aumentar el volumen total de líquido que absorbe el calor. A partir de la neutralización, el efecto de añadir más solución es el de disminuir la temperatura, debido a que se vierte líquido a temperatura ambiente.

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A la izquierda se ve la gráfica obtenida y a la derecha su interpretación (imágenes 9 y 10).

Imagen 9. Variación de temperatura en función

Imagen 10. Interpretación de la gráfica obtenida

del tiempo

ACTIVIDAD Escoge una experiencia o investigación de las que se pueden encontrar en la bibliografía, que se ajuste a la secuencia que estás elaborando. Por ejemplo, puedes entrar en la página web: • El rincón de la Ciencia: centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/rincon.htm. Selecciona el apartado «Experimentos», donde encontrarás una lista de «Experimentos de química». Planifica la actividad conforme a la propuesta de la hoja de trabajo que se detalla más adelante (cuadro 8, en página siguiente). Si es posible, lleva a cabo la actividad con un grupo de alumnos de tu centro de prácticas y sigue la planificación propuesta. Al final de su realización, haz una valoración de cómo ha funcionado y di los cambios que introducirías en la planificación y en el protocolo si tuvieras que hacerla de nuevo.


Cuadro 8. Propuesta de planificación para la actividad experimental

TÍTULO DE LA ACTIVIDAD: TIPO DE ACTIVIDAD: NIVEL: OBJETIVOS • ¿Cuáles son los objetivos de aprendizaje que me planteo con la actividad? • ¿Qué contenidos del currículo se trabajarán?

DISEÑO DE LA HOJA DE TRABAJO • ¿Qué protocolo u hoja de trabajo voy a utilizar para los alumnos? • ¿Qué material de laboratorio o de uso común se necesitará en el trabajo práctico?

GESTIÓN DEL AULA Y EVALUACIÓN • • • • • • •

¿Los alumnos trabajarán individualmente o en pequeños grupos? En el caso de trabajar en grupos, ¿cuántos alumnos integrarán el grupo? ¿Los alumnos necesitan tener conocimientos previos del tema al cual se refiere el trabajo práctico? En caso afirmativo, ¿cuáles? ¿Qué hará el profesor en esta actividad? ¿Qué harán los alumnos? ¿Cómo evaluaré el funcionamiento de la actividad y cómo conoceré la opinión de los alumnos?

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAAMAÑO, A. y COROMINAS, J. (2004). ¿Cómo abordar con los estudiantes la planificación y realización de trabajos prácticos investigativos? Alambique, 39, 52-63. CAAMAÑO, A., y otros (2008). Los nuevos currículos de física, química y biología en el bachillerato de Cataluña. Alambique, 56, 51-70. COROMINAS, J. (2005). Fred i calor instantanis per mètodes químics. Revista Ciències, 2, 22-23. También disponible en: . ROADRUCK, M.D. (1993). Chemical Demostrations. Learning theories suggest caution. Journal of Chemical Education, 70, 12, 1025-1030.

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5. EXPERIMENTOS E INVESTIGACIONES EN FÍSICA


• • • •

Las llamadas tradicionalmente prácticas de laboratorio Las denominadas demostraciones o experiencias de cátedra Las pequeñas investigaciones Ejemplos

Antxon Anta

Deutsche Schule San Alberto Magno. San Sebastián César Sancho

IES Benjamín de Tudela. Tudela El trabajo práctico y experimental en Física es de gran importancia para que el aprendizaje resulte más fácil, efectivo y gratificante; más aun si los alumnos se implican directamente con el hecho de «tocar». Dice un proverbio chino: «Leo, olvido. Veo, recuerdo. Hago, comprendo». Todo esto nos lleva a preguntarnos, ¿qué tipo de trabajos prácticos se pueden realizar en el aula o en el laboratorio? Para responder a ello nos centraremos, básicamente, en dos tipos: las experiencias ilustrativas y las pequeñas investigaciones.

Las llamadas tradicionalmente prácticas de laboratorio Consisten, por lo general, en «ejercicios prácticos», cuyo objetivo es la realización de comprobaciones de leyes y comportamientos de variables físicas medidas con equipos didácticos. No siempre esos equipos, obtenidos de distintos fabricantes, se ajustan a los programas; además, pueden resultar excesivamente sofisticados y lejanos de las situaciones reales; por otro lado, el montaje y desmontaje pueden requerir mucho tiempo y la complejidad enmascara lo que se pretendía ver; por todo ello tenemos que ser críticos a la hora de elegir el material. Muchas veces estas prácticas pueden ser reconvertidas en experiencias interpretativas o en trabajos prácticos abiertos (investigaciones), al modificar la forma en que son presentadas

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a los alumnos; y, en el caso de las investigaciones, al planificar junto a ellos el método de resolución (Caamaño, 2002, 2004).

Las denominadas demostraciones o experiencias de cátedra Son experiencias realizadas por el profesor en clase. Típicas de las cátedras del siglo XIX y principios del XX, a pesar de su indudable utilidad cayeron en desuso por falta de medios y de tiempo. Sin embargo, muchos profesores pensamos que ciertos materiales simples y cotidianos, como son un dinamómetro o una pelota, deben tener un papel en el aula, ya que permiten hacer evidente la relación entre teoría y práctica y acabar con la peor enfermedad de nuestra enseñanza, que es su carácter abstracto y el hecho de que el conocimiento va por un lado y la vida por otro. Pero estas demostraciones también tienen un punto débil y es que los alumnos pueden resultar sujetos pasivos que presten más atención al efecto espectacular que a la física subyacente. Es por ello que debe intentarse la participación y pedir a los estudiantes la emisión de hipótesis, la predicción cualitativa y cuantitativa (cuando la demostración sea susceptible de ello) y la confrontación teoría-práctica. Cuando estas experiencias las realizan los propios alumnos hablamos de experiencias ilustrativas. Es verdad que las experiencias plantean problemas de tiempo dedicado a su preparación y de transporte de material al aula; en cualquier caso, la inversión horaria se rentabiliza si se comparte entre varios profesores. Por otro lado, hay que tener en cuenta que unas experiencias son inmediatas y que otras poseen mayor complejidad; de ambas daremos ejemplos más adelante.

Las pequeñas investigaciones Surgieron como un modelo innovador de las prácticas de laboratorio para evitar que éstas se redujeran al seguimiento de una receta más o menos compleja y laboriosa y a la simple manipulación por parte de los alumnos. El germen estuvo en los grandes proyectos para la enseñanza de la Física (Nuffield, PSSC, etc.), que recurrían a enfrentar a los estudiantes con problemas concretos. En ocasiones, puede ser más oportuno solicitar a los alumnos que respondan a problemas planteados por ellos mismos, puesto que este cuestionamiento es una de las características de la competencia científica. La ayuda y guía por parte del profesor es indiscutible y, por esta razón, es necesaria una batería de propuestas, que puede ser extraída de la historia de la física.

Ejemplos Proponemos, a continuación, algunos ejemplos de experiencias (E) y de pequeñas investigaciones (I). En cada una de ellas se aporta el objetivo, el material y los productos necesarios, así como un comentario sobre su realización. En el caso de experiencias se aconseja utilizar,

EXPERIMENTOS E INVESTIGACIONES EN FÍSICA

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siempre que sea posible, el esquema predicción-observación-interpretación (POE); en las investigaciones, conviene realizar una planificación conjunta profesor-alumnos para diseñar el método de resolución más adecuado (Caamaño y Corominas, 2004). Un tratamiento más detallado de cómo llevarlas al aula se puede encontrar en el capítulo 7, «Los trabajos prácticos en Física y Química: interpretar e investigar», del volumen Didáctica de la Física y la Química. En el cuadro 1 se muestra un esquema de las experiencias y pequeñas investigaciones con indicación del nivel educativo y los conceptos o principios implicados. Cuadro 1. Tabla de experiencias e investigaciones

TRABAJOS PRÁCTICOS (E, I)*

E/I* NIVEL ESO.

CONCEPTOS

1. ¿Cuál es el espesor de una pompa de jabón?

I

Masa, volumen, densidad.

2. La paradoja de Newton. 3. Modos propios de una membrana elástica circular.

E E

ESO y bachillerato. Principios de Newton. Bachillerato. Ondas estacionarias en dos dimensiones.

4. Inducción electromagnética. 5. Ley de Lenz.

E E

Bachillerato. Bachillerato.

Ley de Faraday y ley de Lenz. Ley de Faraday y ley de Lenz.

6. Columpio magnético.

E

Bachillerato.

Interacción imán-corriente.

7. Refracción. 8. Fibra óptica.

E E

ESO. Refracción. ESO y bachillerato. Reflexión total y ángulo límite.

9. Birrefringencia.

E

ESO y bachillerato. Refracción.

10. Experiencia con celofán.

E

11. Mezcla de colores.

E

ESO y bachillerato. Birrefringencia e interferencia de colores ESO y bachillerato. Colores.

12. Cromatismo con láser y globos.

E

Bachillerato.

Transmisión y absorción de la luz

* Código de clasificación de los trabajos prácticos: (E): experiencia demostrativa o ilustrativa realizada por el profesor o por los alumnos; (I): investigación.

¿Cuál es el espesor de una pompa de jabón? Tipo: investigación Nivel: ESO Esta es una propuesta de pequeña investigación que tiene como objetivo estimar el espesor de una pompa de jabón y manejar conceptos como área, volumen, masa y densidad. Materiales

Se necesita: • Mezcla jabonosa para pompas. • Pipeta plástica.

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• Tela lanosa. • Balanza. • Regla. Procedimiento

El primer paso que va a dar el alumno es el de hacer pompas. Para realizar medidas, las pompas deberán ser resistentes, por lo cual hay que informarse de cuál es la solución apropiada.1

Imagen 1. El espesor de la pompa de

Un sistema para hacer las pompas es cortar una pipeta de plástico por la parte más ancha, mojar ésta en el agua jabonosa y soplar por la terminación estrecha. La pompa es una esfera, pero sólo la capa superficial es jabonosa y su espesor (imagen 1) es la relación entre el volumen de esa corteza y el área de la superficie esférica dada su previsible estrechez:

jabón (flechas)

espesor = volumen / área = volumen / 4π d2

donde d es el diámetro de la pompa. Por otra parte el volumen, la masa y la densidad se relacionan en la forma: volumen = masa / densidad

En consecuencia: espesor = volumen / área = (masa / densidad) / 4π d2

Por tanto se hace necesario medir la masa y el diámetro de la pompa. La masa, se puede conocer al depositar una pompa en una tela lanosa tipo jersey o polar sobre una balanza que aprecie milésimas de gramo (imagen 2).

Imagen 2. Determinación de la masa de la pompa

Para determinar el diámetro, d , se puede medir sobre una pantalla blanca el diámetro de su sombra muy cercana (imagen 3, en página siguiente), o bien se la puede dejar explotar sobre una mesa y medir con

1. Soap bubble recipes: faraday.physics.uiowa.edu


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una regla el diámetro del círculo perfecto que sobre ella deja. Se puede considerar que la densidad del líquido jabonoso es de 1,0 g/cm3, puesto que la solución es muy diluida. De esta manera se obtienen resultados para el espesor de la pompa en torno a 1,5 × 10-4 cm. Imagen 3. Determinación del diámetro de la pompa

La paradoja de Newton Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO y bachillerato Éste es un ejemplo de demostración o experiencia de cátedra (de las que hemos llamado inmediatas), que busca como objetivo que se comprendan los principios de Newton al utilizar una situación, a primera vista, paradójica. Materiales

Se necesita: • Dinamómetro de 20 N. • 2 poleas con mango. • 2 pesas de 1 kg de masa. • Hilo. • Mesa soporte provista de dos alojamientos para colocar las poleas. Descripción

Se cuelga, mediante el hilo, una pesa de 1 kg del dinamómetro. ¿Cuánto pesa? La respuesta esperada es 9,8 N. A continuación colgamos una pesa en cada extremo del dinamómetro mediante hilos que pasamos por las poleas, de tal manera que las pesas queden verticales. Ahora la escala está en el centro del sistema y en horizontal (imagen 4). Se cubre la escala del dinamómetro con una tela y preguntamos: «¿Cuánto señalará ahora: 9,8 N o 19,6 N?». Hay respuestas para todos los gustos, aunque la correcta es 9,8 N.

Imagen 4. Esquema del montaje «la paradoja de Newton»

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En efecto, al colgar una pesa de 1 kg de masa, el dinamómetro señala 9,8 N. De acuerdo con el tercer principio, esa fuerza es igual a la que nuestra mano hace para sostener el dinamómetro (el peso tira éste y, por tanto, de nuestra mano). Al colgar la otra pesa y montar el conjunto sobre las poleas, hemos sustituido la mano por la segunda pesa, de modo que el sistema queda en equilibrio. Ahora el dinamómetro señala lo mismo, lo cual comprueba lo dicho.

Modos propios en una membrana elástica circular Tipo: experiencia demostrativa Nivel: bachillerato Esta demostración es más elaborada y requiere una construcción relativamente compleja. Trata de ilustrar la formación de ondas estacionarias en membranas elásticas y viene a ser una variante de las figuras de Chadny, que se puede utilizar en el caso de no poseer un aparato vibrador para chapa metálica en el laboratorio. La forma en la que vibra una membrana circular, tensada y fija en sus extremos, para unas condiciones determinadas de tensión por unidad de longitud y densidad superficial, es una combinación de unos modos propios principales, correspondientes a unas determinadas frecuencias (imagen 5).

Imagen 5. Algunos modos de vibración

Equipamiento

Se necesita: • Lata de 25 cm de diámetro (se puede conseguir en tiendas de olivas). • Generador de funciones. Altavoz con diámetro similar al de la lata (25 W), colocado en el fondo de la lata. • Amplificador 100 W (de coche por ejemplo). • Fuente de alimentación 12 V (para el amplificador). • Pieza de goma látex y cuerda para su sujeción a la lata. Descripción

En la membrana elástica se dibujan algunas líneas con rotulador negro, una vez se ha tensado en la boca abierta de una lata de gran tamaño (imagen 6, en página siguiente). En el interior hay alojado un altavoz que se excita mediante un generador de funciones, a través de un amplificador.


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Para determinadas frecuencias, se encuentran modos de vibración diferentes y se observan nodos y vientres correspondientes a la situación de ondas estacionarias en dos dimensiones (imagen 7). Un estroboscopio que envíe destellos con la frecuencia utilizada en el generador de señales puede ser usado para ver instantáneas de la onda en movimiento.

Imagen 6. El «tambor» con líneas dibujadas sobre

Imagen 7. Ondas estacionariasen dos dimensiones

la membrana elástica

Determinación del centro de gravedad Tipo: experiencia Nivel: ESO y bachillerato El objetivo de esta actividad es explicar la situación de equilibrio estable de un sistema de objetos determinando el centro de gravedad del sistema. Por ejemplo, el conjunto de la imagen 8. Materiales

Se necesitan: • Objetos domésticos como botellas, platos, tenedores, cucharillas, cazos, raseras, etc. Descripción

La imagen 8 muestra un ejemplo de sistema material complejo. Se pueden plantear múltiples situaciones. Un sistema cuyo peso resultante es neutralizado por una fuerza normal queda en equilibrio estable cuando su centro de gravedad (c. d. g.) cae verticalmente sobre el punto de apoyo (mejor cuanto más bajo). Localizar el c. d. g. de un objeto continuo

Imagen 8. Un ejemplo de sistema en equilibrio

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no es sencillo. Pero, si el sistema se puede descomponer en otros cuyo c. d. g. es conocido, se puede seguir una técnica que sustituye cada miembro del sistema por un trazo en el que, aproximadamente, podemos señalar su c. d. g., para pasar después al simple cálculo del c. d. g. de un sistema de partículas. Los trazos se dibujan a escala en papel milimetrado. En la imagen 9 pueden observarse los trazos que representan los distintos objetos o los tramos en que éstos se pueden descomponer.

Imagen 9. Cálculo del centro de gravedad de un sistema

Una variante de esta pequeña investigación podría consistir en el cálculo, mediante una fotografía de un saltador de altura (estilo Fostbury), de la posición de su c. d. g. en el momento en que supera el listón. El resultado es curioso, pues la posición del c. d. g. queda, incluso, por debajo del listón, debido a la flexión que hace el cuerpo atleta.

Ilustración cualitativa de las leyes de la inducción electromagnética Tipo: experiencia demostrativa Nivel: bachillerato Se muestran una serie de experiencias de investigación encaminadas a comprobar cualitativamente las leyes de la inducción magnética. Ésta se rige por dos principios: • Uno cuantitativo, que nos da el valor de la fuerza electromotriz, FEM (Ley de Faraday). • Una cualitativa que nos da el sentido de la corriente inducida (Ley de Lenz).


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Ley de Faraday La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo contrario a la velocidad de variación del flujo magnético a través de dicho circuito. εind = - dΦ dt

El signo «menos» se introduce para expresar que el sentido de la FEM inducida es tal que sus efectos electromagnéticos se oponen a la variación del flujo magnético que la produce. Ley de Lenz El sentido de la corriente inducida o fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es tal que se opone a la variación de flujo.

Materiales

Se necesita: • Tubo de PVC de 75 cm longitud y diámetro 3,9 cm exterior y 3,2 cm interior, con tres bobinas encajadas. • Tubos de PVC de 53 cm de longitud, y diámetro 3,9 cm exterior y 3,2 cm interior. • Imanes cilíndricos de neodimio, disco 28,5 mm x 10 mm zincado. Se forma un bloque de tres imanes. • Bobinas de 110 espiras, 230 espiras, y 400 espiras, construidas con hilo de cobre esmaltado de 0,5 mm de diámetro. • Portalámparas. Bombillas de linterna de 3 V. Descripción

Primer experimento Se coloca verticalmente un tubo de PVC en el que hemos ensamblado tres bobinas iguales (con el mismo número de espiras) a diferentes alturas, y todas ellas conectadas a bombillas de 3 voltios (imagen 10).

Se deja caer un bloque de imanes de neodimio en el interior del tubo. «¿Qué observaremos?». Los alumnos dan diferentes respuestas. Se observa que se produce un destello instantáneo en cada una de las bombillas, pero también que los destellos son más intensos a medida que el bloque de imanes pasa por las bobinas inferiores. «¿Cuál es la explicación?».

Imagen 10. Montaje «inducción electromagnética»

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Al pasar el imán frente a la bobina se produce una variación de flujo magnético y esta variación de flujo produce una corriente inducida. En consecuencia, puede extraerse la siguiente generalización: la variación de flujo magnético en un conductor crea una corriente inducida. Como el movimiento del imán es uniformemente acelerado, la variación de flujo magnético en la bobina superior es menor que en la del medio y ésta menor que en la bobina inferior. Por tanto, el destello será más débil en la de arriba, algo más fuerte en la del medio y más intenso en la inferior. Así pues, se puede extraer la siguiente conclusión: la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la rapidez de variación de flujo (Del Mazo, 2002). Segundo experimento «¿Qué es lo que sucedería si tomásemos tres tubos de la misma longitud y se colocasen en el extremo inferior de cada uno de ellos una bobina con diferente número de espiras y conectadas a una bombilla de 3 voltios (imagen 11)?» «¿Qué bombilla emite un destello más intenso?».

Los alumnos formulan diferentes predicciones.

Imagen 11. Tubos de PVC con bobinas de diferente número de espiras

Se toman tres tubos de PVC de igual longitud, dispuestos verticalmente. En los extremos inferiores se encajan bobinas de 110 espiras, 230 espiras y 400 espiras, respectivamente, y conectamos bombillas de 3 voltios a cada bobina.

Al dejar caer el bloque de imanes en los tres tubos, se observan destellos en las tres bombillas, pero con diferente intensidad. Más débil en la bobina de la derecha (110 espiras), algo más fuerte en la del medio (230 espiras) y más intenso en la de la izquierda (400 espiras). Como el número de espiras del tubo de la derecha es menor que en del medio y éste que en de la izquierda, puede concluirse que la fuerza electromotriz inducida es proporcional al número de espiras de las bobinas.


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Tercer experimento Se encaja en el tubo una bobina de 230 espiras cuyos terminales van a dos LED de diferentes colores, puestos en paralelo (unir la pata grande de un LED con la pequeña del otro y viceversa), cerca del extremo inferior de un tubo de PVC colocado verticalmente (imagen 12).

Al soltar un bloque de imanes de neodimio en el interior de un tubo, se puede comprobar que hay cambio de sentido en la corriente inducida cuando el imán se acerca a la bobina y cuando se aleja.

Imagen 12. Tubo de PVC con bobina unida a dos LED

Ley de Lenz Tipo: experiencia demostrativa Nivel: bachillerato El experimento demuestra la aparición de una corriente eléctrica inducida en un anillo, por acción de un flujo de campo magnético que varía en el tiempo a través de éste. Materiales

Se necesita: • Núcleo ferromagnético. • Una bobina de 1200 espiras. • Anillo metálico de aluminio. • Anillo metálico de aluminio con un corte. • Cables para las conexiones. • Interruptor. • Fuente de corriente continua. Descripción

Primer experimento Se conectan una bobina con un núcleo ferromagnético a una corriente continua y colocamos sobre dicho núcleo un anillo de aluminio (imagen 13).

Al cerrar el circuito, circula una corriente por la bobina que crea un campo magnético en la misma, campo que viene reforzado por el núcleo de hierro de su interior. El flujo magnético que atraviesa el anillo aumenta; se

Imagen 13. Esquema del montaje transversal para ilustrar la Ley de Lenz

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induce en él una corriente eléctrica, que de acuerdo con la Ley de Lenz, debe oponerse a este aumento de flujo; su sentido será tal, que el campo magnético creado por ella se opondrá al de la bobina. En consecuencia, se originará una repulsión que moverá el anillo hacia afuera. Al abrir el circuito sucede exactamente lo contrario, ya que el flujo a través del anillo disminuye y la corriente inducida es de sentido contrario al cierre del circuito. Por lo tanto, se enfrentan polos de diferente tipo y el anillo es atraído. Si se coloca el anillo de aluminio con un corte transversal (cilindro hueco de aluminio con un corte transversal), se observa que no es lanzado hacia el exterior ya que la corriente queda interrumpida por el corte del anillo. Segundo experimento Una variante del experimento anterior consiste en encajar una bobina en un tubo de PVC y colocar dentro de él núcleos ferromagnéticos. Se conectan los extremos de la bobina a un interruptor, el cual se conecta a una corriente alterna de 78 V a través de un transformador (imagen 14).

Cuando cerramos el interruptor, circula una corriente por la bobina que crea un campo magnético variable. El flujo que circula por el anillo varía y se genera una corriente inducida que se opone al aumento del flujo. El sentido de la corriente será tal que el campo creado por la misma se opondrá al de la bobina. En consecuencia, el anillo será repelido hacia arriba con fuerza, hasta llegar a una posición en que ésta es igual al peso y el anillo levita en equilibrio.

Imagen 14. Esquema del montaje para ilustrar la Ley de Lenz

Podemos comprobar que realmente circula corriente en el anillo, si lo tocamos con la mano después de haber hecho que levite. El anillo está caliente debido a la disipación de calor que produce el paso de una corriente eléctrica en un conductor eléctrico por efecto Joule.


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Columpio magnético Tipo: experiencia demostrativa Nivel: bachillerato Éste es un ejemplo de demostración o experiencia de cátedra que busca como objetivo mostrar la fuerza que aparece sobre un conductor recorrido por una corriente en presencia del campo magnético de un imán, de neodimio o de ferrita. Materiales

Se necesita: • Hilo de cobre de esmaltado de 0,5 mm de diámetro. • Barra de aluminio para el soporte. • Base de madera. • Cables de conexión. • Pila. Descripción

Suspendemos el hilo de cobre del soporte de aluminio por sus dos extremos y situamos un imán de neodimio o de ferrita en la parte inferior del alambre de cobre, tal y como se indica en la imagen 15. Al hacer pasar una corriente por el hilo, aparecerá una fuerza que lo desviará hacia un lado. El sentido de la desviación depende del sentido de la corriente y de la orientación del imán (hay que tener cuidado de no tener la pila conectada mucho tiempo, ya que alcanza un alto grado de calor, al ser la corriente muy grande).

Imagen 15. Esquema del columpio magnético

Se pueden probar todas las combinaciones posibles del imán (polo norte y polo sur) y de sentido de la corriente (al cambiar la polaridad de la pila), para así observar la dirección y sentido de la fuerza que aparece sobre el hilo conductor. La fuerza que aparece sobre el hilo es perpendicular al campo y a la corriente. Viene dada por la expresión F = I l B, donde l representa la intensidad de la corriente eléctrica, I, la longitud del conductor y B, el campo magnético. El sentido de la fuerza se establece a partir de la regla de la mano izquierda.

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Una variante del experimento: conductor sobre raíles Materiales

Se necesita: • Dos raíles de latón. • Base de madera. • Imán gigante. • Cables para las conexiones. • Cilindro de aluminio. • Fuente de corriente continua. Una variante del experimento anterior es construir unos raíles de latón sobre una base de madera y situarlos dentro de un imán gigante, como indica la imagen 16. Se conectan los raíles a los polos de un generador eléctrico y se pone sobre los raíles una varilla de aluminio de forma que cerremos el circuito. Al circular la corriente, se podrá observar cómo se desliza el conductor por los raíles, debido a la fuerza generada a través de la interacción entre el campo magnético y las cargas eléctricas que circulan por el conductor.

Imagen 16. Esquema del montaje

Experiencias de refracción Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO

Objetos que desaparecen El objetivo de las dos siguientes experiencias es estudiar el comportamiento de la luz cuando llega a una superficie transparente que separa dos medios distintos. Materiales

Es necesario: • 2 boles opacos. • 2 monedas y agua. Descripción

Primer experimento Se coloca una moneda en el fondo de cada bol de paredes opacas y nos alejamos de modo que nuestro ojo no pueda percibir las monedas.


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Llenamos poco a poco uno de los boles con agua, el de la derecha, por ejemplo. Sin que el ojo cambie de posición, la moneda se ve (imágenes 17 y 18).

Imagen 17. Los dos boles sin agua

Imagen 18. El bol de la derecha contiene agua

¿Por qué?... Lo que sucede es un efecto de refracción. Cuando se ubica una moneda en el fondo de un bol de paredes opacas y nos situamos de manera que nuestra visual quede interrumpida por el borde del mismo, no vemos la moneda porque nuestra vista no alcanza a ver el fondo del bol. Si se llena de agua el recipiente, la moneda se hace visible, como si flotara, en una posición por encima de la que tenía. Como esto no es posible, lo que sucede es que los rayos procedentes de la misma se desvían de su dirección de propagación al pasar del agua al aire. Segundo experimento Una variante del experimento anterior consiste en colocar un frasco de cristal sobre una moneda; parecerá como si estuviera dentro del frasco.

Se llena el frasco de cristal con agua y ajustamos la tapa. Sin que el ojo cambie de posición, la moneda deja de verse, como si hubiera desaparecido, o se hubiera disuelto en el agua. ¿Por qué?... Lo que sucede es un efecto de la refracción. Cuando el frasco está vacío, los rayos de luz se reflejan en la moneda y llegan hasta nuestros ojos de una forma habitual, pero cuando añadimos el agua, los rayos procedentes de la misma se desvían al incidir en el lateral del frasco. Se produce una reflexión total y los rayos que transportan la imagen de la moneda no llegan a nuestros ojos.

Objetos invisibles Cuando se sumerge un objeto transparente en un medio transparente del mismo índice de refracción o similar, el primero se hace invisible.

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Materiales:

Es necesario: • Dos vasos pequeños de índice de refracción parecido al aceite; por ejemplo, los de precipitados.

• Dos vasos grandes. • Aceite de casa y agua. Descripción

Se coloca en un vaso grande, aceite de cocina y dentro de éste, un vaso de precipitados. Se introduce en el otro vaso grande, agua y dentro de éste, el otro vaso de precipitados. Al observar los dos vasos, se puede apreciar perfectamente el vaso de precipitados en el que contiene agua, pero en el que contiene aceite parece que ha desaparecido el vaso de precipitados, se ha hecho invisible (imagen 19). «¿Cuál es la explicación?» Cuando la luz incide con un cierto ángulo en la superficie de separación entre dos medios transparentes de distinta naturaleza, cambia de dirección. Este fenómeno se denomina refracción y nos permite distinguir cuerpos transparentes en un medio transparente. Esto es lo que nos permite ver el vaso de vidrio en el aire o en el agua. Imagen 19. Vaso de precipitados intro-

La refracción sólo se produce cuando hay un cambio de medio. Sin embargo, si ambos medios tienen el mismo índice de refracción, la luz no sufre desviación y somos incapaces de distinguir un cuerpo transparente en un medio transparente. Esto es lo que ocurre en el ejemplo cuando sumergimos el vaso de precipitados (vidrio de borosilicato) en el aceite contenido en el vaso grande. Ambos tienen el mismo índice de refracción. ducido en un vaso grande con aceite

Fibra óptica Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO y bachillerato El objetivo de esta experiencia es ver la reflexión total interna y cómo viaja la luz a través de cables de fibra óptica. Materiales

Se necesita: • Láser. • Tubo de plástico.


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«¿Podemos transportar la luz por una “tubería” como si se tratase de agua, al igual que la electricidad a través de un cable?» Algo así se logra al utilizar las fibras ópticas. Éstas consisten en fibras de vidrio o de plástico flexibles por cuyo interior se transmite la luz, mediante sucesivas reflexiones internas totales. Es decir, el fenómeno de la reflexión total permite hacer viajar a la luz en una fibra óptica. Con la fibra óptica se puede mostrar el fenómeno de la reflexión total que permite que la luz se transmita a través de ella. Descripción

La transmisión de luz e información en las fibras ópticas está basada en el uso del ángulo límite. Cuando el rayo de luz que llega a la base de la fibra incide sobre la superficie de ésta con un ángulo mayor que el ángulo límite, no se pierde nada de luz y la señal sigue por la fibra y se refleja siempre con un ángulo mayor que el ángulo límite. Otro ejemplo semejante es el de un chorro de agua iluminado desde atrás por un rayo láser. La luz sigue al chorro, queda atrapada por reflexión total, y se obtiene así una fuente luminosa. Si es alumbrado por dos láseres, uno rojo y otro verde, al final del chorro se vería una luz amarilla.

Birrefringencia Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO y bachillerato Esta experiencia trata de poner en evidencia la polarización de las ondas luminosas. Para ello, con material relativamente barato y de fácil adquisición, se lleva a cabo una demostración que permite poner de manifiesto la birrefringencia y obtener las dos imágenes (la ordinaria y la extraordinaria) de forma simultánea y observable con un cristal de calcita. Hay ciertos cristales que producen la doble refracción o birrefringencia debido a su anisotropía. La birrefringencia o doble refracción es un fenómeno que se presenta en la calcita y otros cristales no cúbicos y en algunos materiales sometidos a tensión, como el celofán, plásticos, Duralex, etc. Estos materiales son anisótropos debido a su estructura atómica. La velocidad de la luz depende de su dirección de propagación a través del material. Habitualmente, estos cristales presentan dos índices de refracción diferentes en direcciones perpendiculares. Cuando un rayo de luz incide sobre estos materiales, puede separarse en dos, que son denominados rayo ordinario y rayo extraordinario. Éstos están polarizados en direcciones perpendiculares y se propagan con velocidades diferentes. En función de la orientación relativa del material y de la luz incidente, los rayos pueden propagarse, también, en direcciones diferentes.

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Existe una dirección particular en un material birrefringente en que ambos rayos se propagan con la misma velocidad. Ésta se llama eje óptico del material. Cuando la luz se propaga a lo largo del mismo, no ocurre nada inusual. Sin embargo, cuando la luz incide con un ángulo con respecto al eje óptico, los rayos se propagan en distintas direcciones y emergen separados en el espacio. Materiales

Se requiere: • Cristal de espato de Islandia. • Papel con escritura o una cruz. Procedimiento Un cristal de espato de Islandia produce una imagen doble de un objeto colocado debajo de él (imagen 20). Cuando la luz procedente del objeto llega al cristal, se refracta por pasar de un medio a otro de diferente índice de refracción. Pero la luz no se desvía de manera habitual, sino que se producen dos conjuntos de rayos. Esta división se conoce como doble refracción o birrefringencia y la luz que resulta está polarizada. Al poner un polarizador entre el cristal y los ojos e ir girándolo, en un cierto ángulo sólo se observa una imagen, y en uno girado 180º se observa la otra imagen.

Imagen 20. Imagen doble de la cruz del fondo y de las líneas, producida por el cristal birrefringente de espato de Islandia

Experiencia con celofán: creación de un caleidoscopio Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO y bachillerato Éste es un ejemplo de demostración o experiencia de cátedra cuyo objetivo es observar un fenómeno relacionado con la interferencia de colores y la birrefringencia, por la cual el rayo de luz se divide en dos rayos que viajan a distintas velocidades, de modo que interfieren entre sí y generan bandas de colores. Materiales

Se requiere: • Celofán. • Placa de metacrilato con celofán de diferentes espesores.


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• Pantalla de ordenador portátil en blanco. • Lámina polarizadora. Procedimiento

Colocamos la lámina de metacrilato, que lleva adheridas tiras de celofán de diferentes espesores, sobre la pantalla en blanco del ordenador portátil. El papel de celofán es un material birrefringente, es decir, presenta dos índices de refracción diferentes según la dirección de propagación de la luz en su interior. En el caso del celofán, el eje rápido es el ancho de la tira, mientras que el eje lento es el largo de la tira. 2 Cuando los rayos de luz polarizada que provienen de la pantalla blanca del ordenador atraviesan el celofán, se dividen en dos rayos, llamados, como hemos dicho, ordinario y extraordinario. Éstos se propagan con diferente velocidad en el interior del celofán y están polarizados. Al colocar delante de la placa de metacrilato un polarizador e ir girándolo, se puede observar un bonito espectáculo de diferentes colores (Barrio, 2007) (imagen 21).

Imagen 21. Efectos que causan varias tiras de celofán superpuestas iluminadas con luz polarizada y observadas a través de un polarizador

Mezcla de colores Tipo: experiencia demostrativa Nivel: ESO y bachillerato El objetivo de esta experiencia de cátedra es mostrar cómo percibimos las mezclas de colores y realizar la mezcla aditiva de los mismos. Se han descrito numerosos experimentos que utilizan tres lámparas (roja, verde y azul) o retroproyectores con filtros transparentes (rojo, azul, verde), para demostrar la manera en que percibimos las combinaciones de colores y realizar su mezcla aditiva. 2. El rincón de la Ciencia: centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/rincon.htm

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Con un trozo de cartulina, unas pegatinas de diferentes colores y un motor se puede obtener un método, extremadamente, simple para hacer la mezcla aditiva de colores. Debido al fenómeno de la persistencia de la visión, nuestra retina c onserva una imagen por un corto período de tiempo después de que la luz se haya ido. El objetivo de esta experiencia es mostrar cómo se pueden combinar los colores girados a gran velocidad al usar la persistencia de la visión y mediante la exposición de dichos colores a los ojos (Cortel, 2004) Materiales

Se necesita: • Cuadrado de cartulina del tamaño de una diapositiva. • Pegatinas de colores (rojo, verde, azul y amarillo). • Motor. • Pila. • Caja de metacrilato. Descripción

Primer experimento Dos etiquetas de diferente color se pegan a ambos lados de la cartulina con una pequeña área de solapamiento.

La cartulina se coloca en el dispositivo de la imagen 22 como si fuera una diapositiva. Al accionar la pila, la diapositiva de la cartulina se pone a girar rápidamente y los colores de las pegatinas actúan como luces que destellan y activan los correspondientes conos sensibles en la retina. Al mezclarse las luces reflejadas en las pegatinas, se produce la mezcla aditiva de colores. Se puede comprobar en la imagen 23 que la mezcla de luz roja y verde es percibida como el color amarillo.

Imagen 22. Esquema del montaje

Imagen 23. Mezcla aditiva del rojo y verde


¿Qué color se verá, si se coloca una etiqueta amarilla y una azul en cada cara? La mezcla de amarillo y de azul se percibe como blanco, como podemos observar en la imagen 24. La luz reflejada en amarillo de la etiqueta engomada activa los conos sensibles al rojo y verde; mientras que los conos sensibles al azul son activados por la luz refle jada en la etiqueta engomada azul. Al combinar la actividad de los receptores tricolores se percibe como blanco.

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Imagen 24. Mezcla aditiva del azul y amarillo

¿Qué color se verá si se coloca una etiqueta roja y azul? Magenta (morado). ¿Qué color se verá si se coloca una etiqueta verde y azul? Cian. Puede extraerse la siguiente conclusión: con una experiencia tan sencilla como ésta se puede realizar una experiencia de la mezcla aditiva de colores. Segundo experimento Una variante de este experimento es el famoso juguete llamado taumatropo. Es un juguete basado en las ilusiones ópticas y en la persistencia de la impresión sobre la retina.3

Consiste en un disco de cartón que se hace girar entre los dedos alrededor de un eje formado por dos cordones, atados uno a cada extremo de un mismo diámetro del disco. En una de las caras de éste hay pintado un pájaro; y en la otra, una jaula (imagen 25). Cuando se hace girar todo el sistema, ambos dibujos se confunden en uno: un pájaro dentro de la jaula. Imagen 25. Las dos caras de un taumatropo

3. Talleres de ciencias: www.jpimentel.com/ciencias_experimentales/pagwebciencias/pagweb/Los_talleres_de_ciencias/talleres_de_ciencias.htm

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Cromatismo con láser y globos Tipo: experiencia demostrativa Nivel: bachillerato El objetivo de esta experiencia de cátedra es llevar a cabo una demostración de los principios de la óptica cromática, mediante el uso de globos de colores y de un láser. La mayor parte de los objetos que nos rodean reflejan la luz y no la emiten; es decir, sólo reflejan parte de la luz que les llega, la parte que produce su color. El color de un objeto transparente depende del color de la luz que transmita. Así un trozo de vidrio parece rojo porque absorbe todos los colores que forman la luz blanca, excepto el rojo, que es el que se transmite, el que le da color al objeto. De igual forma, un vidrio azul parece de este color porque transmite, principalmente, luz azul, y absorbe luz de los demás colores que lo iluminan. Un vidrio es amarillo porque transmite el rojo y el verde, cuya composición da el amarillo. Este fenómeno se llama color por transmisión (imagen 26).

Imagen 26. Color de un objeto transparente y la luz transmitida

Materiales

Se necesita: • Globos de látex de diferentes colores: verdes, rojos, azules, amarillos, negros y transparentes. • Láser verde de Ne de 100 mW. Procedimiento

Consiste en lanzar una radiación verde desde un láser contra globos de diferentes colores que han sido previamente inflados (imagen 27). Nos podemos hacer la siguiente pregunta: «¿Por qué revientan unos globos y otros no?» (Barrio, 2009). Imagen 27. Esquema del montaje


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Los alumnos dan diferentes respuestas. La respuesta está en la reflexión (y transmisión) del color, que hemos mencionado anteriormente. Los globos que contienen verde, por ejemplo, y amarillo (composición de verde y rojo) reflejan (y transmiten) la radiación verde del láser y no reventarán aunque hagamos incidir la radiación durante bastante tiempo. Por el contrario, aquellos globos que no transmitan verde (azul, rojo, magenta y por supuesto, negro) absorberán toda la radiación verde del láser, por lo que acabarán reventándose. Un globo amarillo, por ejemplo, refleja la luz amarilla (composición de rojo y verde), y absorbe el azul. Por tanto, refleja (y trasmite) la radiación verde del láser y no explotará. Sin embargo, los globos rojos, azules, magenta (composición de rojo y azul) o negros absorberán el verde de la radiación del láser. El resultado es que los globos se calentarán en la zona de incidencia y explotarán. A muchos estudiantes les asombra que al lanzar la radiación verde del láser contra un globo transparente que tenga en su interior uno rojo inflado, explote este último y el otro salga indemne del experimento (imágenes 28 y 29). Precaución

La manipulación de un láser verde de 100 mW puede entrañar riesgos severos si no se adoptan todas las precauciones necesarias.

Imagen 28. Globo rojo den-

Imagen 29. Globo rojo explo-

tro del transparente

tado dentro del transparente

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ACTIVIDAD Escoge y adapta una de las experiencias o investigaciones presentadas en este capítulo o bien una diferente e inclúyela en la secuencia de enseñanza que elabores. Planifica la actividad según la pro puesta de la hoja de trabajo que se detalla más abajo. Realiza posteriormente la actividad con el grupo de alumnos y sigue la planificación propuesta (cuadro 2). Al final de su realización, haz una valoración de cómo ha funcionado el trabajo práctico y anota los cambios que introducirías en la planificación y en el protocolo si lo tuvieras que hacer de nuevo. Cuadro 2. Propuesta de planificación de la actividad experimental

TÍTULO DE LA ACTIVIDAD: TIPO: NIVEL: OBJETIVOS • ¿Cuáles son los objetivos de aprendizaje que me planteo con la actividad? • ¿Qué contenidos se trabajarán?

DISEÑO DE LA HOJA DE TRABAJO • ¿Qué protocolo u hoja de trabajo voy a utilizar? • ¿Qué material de laboratorio de uso común se necesitará en este trabajo práctico?

GESTIÓN DEL AULA Y EVALUACIÓN • ¿Los alumnos trabajarán individualmente, en pequeños grupos o con toda la clase? • ¿De qué manera relaciono los objetivos de aprendizaje que me he planteado con la metodología utilizada, con el agrupamiento de alumnos, los recursos materiales, la utilización o no de protocolo de prácticas, etc.? • ¿Los alumnos necesitan tener conocimientos previos del tema al cual se refiere la actividad práctica? En caso afirmativo, ¿cuáles? • ¿Qué hará el profesor en esta actividad? • ¿Qué harán los alumnos? • ¿Cómo evaluaré el funcionamiento de la actividad y cómo conoceré la opinión de los alumnos?

Es conveniente realizar la actividad experimental en el laboratorio del centro de prácticas antes de redactarla como actividad de la secuencia. En el caso de que ninguna de las experiencias o investigaciones se ajustara al tema de la secuencia de enseñanza en proceso de elaboración, escoge una adecuada y consulta la bibliografía aportada.


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARRIO, J. (2007). Un caleidoscopio de celofán en tu ordenador. Madrid es Ciencia, p. 153. Madrid: Santillana. También disponible en línea en: . — (2009). Óptica cromática con láser y globos: Ciencia en acción. Disponible en línea en: . CAAMAÑO, A. (2002). ¿Cómo transformar los trabajos prácticos tradicionales en trabajos investigativos? Aula de innovación educativa, 113-114. — (2004). Experiencias, experimentos ilustrativos, ejercicios prácticos e investigaciones. Alambique, 39, 8-19. CAAMAÑO, A. y COROMINAS, J. (2004). ¿Cómo abordar con los estudiantes la planificación de los trabajos prácticos investigativos? Alambique, 39, 52-63. CORTEL, A. (2004). La física de la visión: experiencias de percepción, Alambique, 39, 93-98. DEL MAZO, A. (2002). Experiencias en electromagnetismo. Alambique, 34, 94-103.

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6. EL USO DE SENSORES Y EQUIPOS DE CAPTACIÓN AUTOMÁTICA DE DATOS EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS DE FÍSICA Y QUÍMICA


• ¿Qué son los sensores y los equipos de captación de datos? • ¿Cuáles son las ventajas de utilizar sensores en los trabajos prácticos? • ¿Qué nos aportan estas herramientas para una buena educación científica de nuestros alumnos? • ¿Cómo estructurar los protocolos de las prácticas? • ¿Cómo integrar los sistemas de captación de datos a un trabajo por competencias? • Dificultades por parte de los profesores para la utilización de sensores. Algunas ideas para superarlas • Buenas prácticas de Física utilizando sensores • Buenas prácticas de Química utilizando sensores • En síntesis, ¿qué nos puede aportar de nuevo el trabajo con sensores?

Montserrat Tortosa

IES Ferran Casablancas. Sabadell Universidad Autónoma de Barcelona Julián Oro

IES Jerónimo Zurita. Zaragoza

¿Qué son los sensores y los equipos de captación de datos? El equipamiento que permite realizar experimentos en tiempo real es conocido como experimentos asistidos por ordenador (EXAO), o en inglés por las siglas MBL (microcomputer based laboratory ). El sistema está formado por un ordenador, uno o más sensores, una interfaz y un software para la adquisición de datos (cuadro 1 e imagen 1, en página siguiente).

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Cuadro 1. Esquema de un equipo de registro y tratamiento automático de datos

Sensor

Interfaz

Ordenador

La interfaz puede ser utilizada como recolector de datos, sin necesidad de estar conectada al ordenador. En esta categoría se incluye, también, la utilización de un micrófono conectado a la tarjeta de sonido del ordenador y que funciona con un software editor de sonido. Los sensores que pueden encontrarse en el mercado (de posición, fuerza, presión, temperatura, pH, conductividad, sonido, nivel de CO2, O2, etc.) cubren una variedad de magnitudes que permite, abarcar distintos aspectos del currículo de la educación secundaria. Los resultados de las medidas pueden ser presentados numérica o gráficamente en la pantalla de un ordenador, o Imagen 1. Equipo MBL con electrodo y sensor de pH, interbien ser impresos y guardados. La faz y ordenador propiedad que tiene el MBL de preFuente: M. Tortosa. sentar los datos obtenidos de una experiencia en tiempo real, así como también la de facilitar su análisis mediante la utilización de diferentes opciones de software, aporta ventajas para el proceso de enseñanza-aprendizaje de las ciencias puesto que permite: • Relacionar la forma del gráfico y sus puntos relevantes con la evolución del fenómeno. • Examinar fácilmente los efectos de un cambio de condiciones experimentales, ya que la toma de datos puede durar muy poco tiempo. • Trabajar con datos reales.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar sensores en los trabajos prácticos? Los trabajos prácticos con sensores permiten un tipo de experimentos que, tradicionalmente, no han sido posibles o fáciles de realizar en las aulas de educación secundaria. Por ejemplo, experimentos nuevos para analizar un fenómeno de extremada rapidez (la caída de un ob jeto) o lentitud (variación de la concentración de oxígeno en el agua a causa de la fotosíntesis

EL USO DE SENSORES Y EQUIPOS DE CAPTACIÓN AUTOMÁTICA DE DATOS EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS DE FÍSICA Y QUÍMICA

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de una planta acuática; o análisis de las condiciones ambientales del ruido de un centro de enseñanza a lo largo del día), o simplemente medidas de la variación de una magnitud en un experimento (variación de presión). El trabajo con gráficos, el análisis de éstos y su relación con los procesos que tienen lugar y con las teorías que los explican es un objetivo fundamental de la educación científica. La rápida obtención de los gráficos o su simultaneidad con muchos experimentos permite poner el acento en los procesos y en los efectos que tiene la variación de las condiciones experimentales. En definitiva, el trabajo con sensores facilita un cambio radical en la forma de plantearnos las sesiones de laboratorio, porque: • El tiempo dedicado a la toma de datos es mínimo, sea cual sea la duración del experimento. • El tiempo dedicado a discutir los objetivos, los resultados esperados y los obtenidos, así como a realizar el análisis cualitativo y cuantitativo de los gráficos y la elaboración de las conclusiones pasa a ocupar el lugar fundamental, que es en definitiva tiempo dedicado a la construcción de conocimiento en interacción con los compañeros y el profesor.

¿Qué nos aportan estas herramientas para una buena educación científica de nuestros alumnos? Las utilidades son diversas. Por un lado, se encuentran beneficios de tipo motivacional , ya que el uso del MBL en el trabajo experimental facilita a los estudiantes el probar sus ideas o concepciones iniciales, reconciliar las diferentes problemáticas que surgen de los datos, reconocer anomalías, etc. Todo eso refleja, a la vez, similitudes con la forma de trabajar de los científicos, sin salir del contexto de una clase de Física y Química. Con un diseño adecuado de los protocolos de prácticas, los estudiantes integran el equipo MBL como una herramienta más del laboratorio (Tortosa, Sáez y Pintó, 2007). El uso de estos instrumentos promueve, además, abordar el estudio de fenómenos o conceptos físicos o químicos a partir de sus características concretas, para llegar de forma progresiva a sus características más abstractas (Thornton y Sokoloff, 1997; Redish, Saul y Steinberg, 1997). Todo ello lleva a los estudiantes a adquirir un conocimiento vivencial del fenómeno que estudian y a implicarse/ motivarse en el aprendizaje, lo que facilita comprender la meta y, por lo tanto, aumentar sus expectativas de conseguirla. Por otro lado, encontramos beneficios relacionados con la comprensión de los conceptos y teorías científicas. El uso de MBL ayuda a promover en los estudiantes la comprensión de aspectos abstractos del fenómeno o concepto que estudian, debido a que tiende un puente entre lo concreto

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(el fenómeno que pasa delante nuestro) y lo abstracto (la representación gráfica del fenómeno), lo que ha sido constatado por algunos autores en sus investigaciones (Beichner, 1990; Mokros y Tinker, 1987). La relación «evolución del fenómeno-representación gráfica» que se hace evidente cuando se usa MBL, se ve potenciada cuando se utiliza un enfoque didáctico basado en hacer predicciones, observar y comparar (Thornton y Sokoloff, 1997; Solomon y otros, 1991). Thornton y Sokoloff (1997 y 1998) han comprobado la mejora significativa del nivel de comprensión de los estudiantes con respecto a los conceptos de distancia, velocidad, aceleración y fuerza al utilizar MBL. Los estudios respecto al aprendizaje de la Química con equipos MBL son menos abundantes (Tortosa, Sáez y Pintó, 2007; Tortosa, 2008a), y destaca el trabajo pionero de Nakhleh y Krajcik (1994), que concluyen que el uso de equipos MBL contribuye, significativamente, al aprendizaje de los conceptos de ácido y de base. Otro aspecto que señalar es el hecho de que el uso de esta herramienta potencia la comunicación e interacción entre el alumnado y, por lo tanto, facilita su comprensión de los conceptos científicos (Oro, 2004a; Pintó, 2002; Pintó, Sáez y Tortosa, 2008). Sassi (2000) señala que las contribuciones más, potencialmente, significativas del uso de experimentos en tiempo real en la enseñanza de la Física, son las que están relacionadas con la integración de los conocimientos, con la comprensión de algunos contenidos (por ejemplo, la cantidad de movimiento), con dirigir las actividades de los estudiantes en un entorno activo, con el ir de lo real a lo ideal, con las habilidades en el análisis e interpretación de gráficos, y con el estudio de la influencia de variables en un fenómeno.

¿Cómo estructurar los protocolos de las prácticas? En el trabajo experimental, con prácticas en tiempo real, las actividades del docente y las de los estudiantes son complementarias entre sí y ambas están sumergidas dentro de un ciclo de aprendizaje. El desarrollo eficaz de éste comprende las actividades para el docente y para el alumno que se muestran en el cuadro 2 (en página siguiente).


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Cuadro 2. Esquema del guión de prácticas

Plantear una situación/problema

Explorar una situación

Predecir de los datos y gráficos que se obtendrán

Comunicar los objetivos de la experiencia Orientar a los alumnos

Realizar de la toma de datos

Actividades del profesor Preparar del instrumento de medición y el dispositivo experimental

Generalizar y aplicar a nuevas situaciones

Reestructurar de los nuevos conocimientos

Comparar las predicciones con los resultados Comparar los resultados con el modelo teórico

Toma de datos

Analizar e interpretar de los resultados

Fuente: Pintó, Pérez Castro y Gutiérrez (1999).

Actividades del docente

Las tareas del profesorado se refieren, específicamente, a plantear a los estudiantes una situación en forma de problema o cuestión, comunicar los objetivos de la actividad y ofrecer orientación a lo largo de todo el trabajo experimental. La situación o problema que se plantee tiene que estar relacionada con el contexto cotidiano de los estudiantes (sus experiencias, conocimientos previos, etc.). La finalidad de la situación inicial es que la actividad experimental no sea extraña para los estudiantes y que se sientan motivados o con deseos de implicarse en la misma. Así se debe mostrar la relevancia y el contenido de la tarea (Tapia, 1998). El docente debe comunicar a los aprendices los objetivos de la experiencia; lo cual, más que nombrarlos, implica promover que los hagan suyos mediante actividades especialmente diseñadas para este trabajo (Jorba y Sanmartí, 1994). Es importante que los estudiantes sepan qué tienen que obtener y qué se espera de ellos, con la finalidad de que regulen sus acciones para conseguir los objetivos de la actividad, es decir, que dirijan sus esfuerzos en una única dirección.

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Las diferentes actividades que se realizan dentro del trabajo experimental requieren la participación activa de los estudiantes, pero bajo la constante orientación del docente (imagen 2), con el fin de promover la adecuada construcción de conocimientos y de manera progresiva, la autonomía, de forma tal, que sean capaces de tomar la iniciativa en aquellos aspectos que directamente afecten al desarrollo de su trabajo y al proceso de construcción y reconstrucción de las representaciones o modelos interpretativos. Actividades de los estudiantes

Las actividades que llevan a cabo los estudiantes comprenden: • Explorar la situación presentada por el docente. • Predecir los resultados y la forma de los gráficos que se obtendrán. • Recopilar datos. • Analizar e interpretar los datos obtenidos. • Comparar los resultados con las predicciones y con el modelo teórico que fundamenta la experiencia. • Reestructurar conocimientos. • Generalizar y aplicar aquello que se ha aprendido a nuevas situaciones. Explorar la situación es una actividad para promover que los alumnos se representen el tema o concepto a estudiar, se apropien de los objetivos (Jorba y Sanmartí, 1994), expresen sus puntos de vista (sus representaciones) y hagan una predicción sobre qué sucederá.

Para la realización de la toma de datos se tiene que preparar el instrumento de medida y el dispositivo experimental, y Imagen 2. Discusión de resultados conviene clarificar los aspecFuente: A. Masagué. tos a recalcar durante este proceso. La preparación del dispositivo experimental , incluido el instrumento de medida, facilitará a los estudiantes la familiarización con ellos. Es necesario que comprendan que, para el buen desarrollo de su trabajo es preciso tener ciertas habilidades técnicas con relación al control, el manejo y la preparación del instrumento de medida.


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Con el objetivo de que el alumnado se implique activamente en el montaje del dispositivo experimental y en la preparación del instrumento de medida, es necesario que éste: • Tenga a su disposición todo el material a utilizar. • Haya aprendido a utilizar y preparar el instrumento de medida. • Prepare el dispositivo experimental bajo la guía del profesor. • Prepare el instrumento de medida y el software que le acompaña. Durante la toma de datos, se tiene que promover que los estudiantes establezcan la relación que existe entre la representación gráfica y el fenómeno que se estudia. El dispositivo experimental tiene que estar colocado de forma que a lo largo de todo el proceso se pueda dirigir la atención de los estudiantes hacia los dos hechos simultáneamente. El análisis e interpretación de los resultados se puede hacer de manera cualitativa o cuantitativa: • El análisis cualitativo tiene que partir de las predicciones que los estudiantes lleven a cabo, de la comprensión que tienen del concepto que están aprendiendo y del concepto en sí mismo. Por tanto, los estudiantes deben tener la oportunidad de: - Comparar las predicciones que realizaron durante la toma de datos con los resultados obtenidos. - Comparar el marco teórico conceptual con sus predicciones y con los resultados, con el objetivo de establecer relaciones y diferencias. • Para promover el análisis cuantitativo de los datos obtenidos se propone que al finalizar la toma de éstos se solicite a los estudiantes que, con el fin de analizar la representación gráfica y obtener datos y realizar cálculos que les permitan describir el experimento, realicen todas o algunas de estas acciones: - Obtener las coordenadas de los puntos del gráfico más relevantes. - Determinar la pendiente en un punto o intervalo. - Determinar el área bajo la curva. - Aproximar el gráfico a una función matemática e identifiquen la tendencia de la representación gráfica. La reestructuración de los nuevos conocimientos (Jorba y Sanmartí, 1994) tiene como finalidad que los estudiantes sinteticen el saber adquirido mediante las diferentes actividades propuestas, identifiquen los aciertos y los desaciertos de los modelos elaborados y evalúen las dificultades encontradas. Para ello se debe propiciar que expresen, de forma verbal y escrita, con la terminología científica adecuada, el modelo construido. La generalización de aquello que se ha aprendido y su aplicación es esencial para comprobar si ha habido un aprendizaje real. Las situaciones en forma de actividades que se presenten a los estudiantes tienen que contener los mismos elementos que las anteriores, pero con nuevos componentes que los obliguen a ampliar el radio de acción de sus conocimientos.

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¿Cómo integrar los sistemas de captación de datos a un trabajo por competencias? El trabajo por competencias mediante el uso de sensores depende de las actividades propuestas a los estudiantes, y de la gestión del aula durante su implementación. Al hacer un mismo experimento, los estudiantes trabajarán competencialmente si se ocupan de un problema contextualizado, si predicen qué resultados van a obtener, si discuten los gráficos obtenidos, si diseñan ellos mismos el experimento a efectuar, si piensan qué variables son importantes medir, etc. No trabajarán de manera competencial si se limitan a seguir un guión (o una receta) de prácticas. Los siguientes indicadores competenciales nos pueden ayudar a analizar si una actividad con sensores promueve el trabajo por competencias, y también pueden servir de apoyo para el diseño de protocolos: • Promueve «hacer ciencia», hacer predicciones, diseñar experimentos, recoger datos, etc. Este indicador es relevante en el caso del trabajo con sensores, ya que con las características intrínsecas de los equipos, un diseño adecuado de los protocolos permite optimizar el tiempo para trabajar estas competencias y utilizar datos reales. • Es primordial que los alumnos anoten sus predicciones individualmente y las consensuen, después, con el grupo antes de llevar a cabo la práctica. El tiempo experimental es deseable que sea corto. Es importante que después de la toma de datos, los aprendices comparen los resultados obtenidos con sus predicciones y con el modelo teórico propuesto por la ciencia, y que sean capaces de explicar las causas de las diferencias encontradas. También hay que valorar que propongan cambios en el experimento, o que diseñen nuevos ensayos, que los ejecuten y discutan los nuevos resultados. • Está contextualizada, enmarcada en un contexto personal, social o global. • Permite pensar «ciencia», resolver algún problema, ayuda a la construcción de modelos, trabaja con preguntas más que con explicaciones. • Fomenta el aprender a aprender , es decir, promueve el hecho de reconocer las limitaciones de las propias ideas y su evolución. • Potencia el trabajo en grupo y la discusión entre iguales; incrementa y mejora el uso del lenguaje. • Plantea la aplicación del conocimiento adquirido a nuevas situaciones.

Dificultades por parte de los profesores para la utilización de sensores. Algunas ideas para superarlas A pesar de las dificultades que se detectaron los primeros años que se utilizaron estos equipos, creemos que el trabajo con sensores puede aportar beneficios que no se obtienen con ninguna de las otras técnicas TIC, por el hecho de obtener datos reales en tiempo real, y por la interacción entre aprendices. Por estas razones, y basadas en la experiencia, sugerimos


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que para un aprovechamiento óptimo de las sesiones, éstas se programen y se gestione el aula con los recursos reales disponibles, y que se prevean las dificultades que pueden surgir, con el fin de reducirlas al mínimo. La gestión del aula es un factor limitante para tener un buen rendimiento en el trabajo con sensores. Hay tres cuestiones clave que nos orientarán: • ¿Cuál es el objetivo que nos planteamos con un determinado trabajo práctico? • ¿Qué equipamiento tenemos? • ¿De qué tiempo disponemos? Si se dispone de un único equipo: el profesor guía las preguntas y la actividad es adecuada para enfatizar en aspectos conceptuales. Si se dispone de más equipos: es adecuado el trabajo en grupos y pueden abordarse, también, aspectos más procedimentales. Se ha comprobado que con unos protocolos y una gestión del aula adecuada, aunque trabajen en grupos, los alumnos dan importancia a los conceptos y consideran el equipo como una herramienta más para la obtención de datos experimentales (Tortosa, Pintó y Sáez, 2008). Cuando se pregunta al profesorado acerca de las dificultades de organizar el trabajo experimental con equipos MBL (Sáez, 2006), las respuestas apuntan hacia diversas direcciones: • El número de alumnos en el laboratorio: si trabajan en grupos de más de cuatro estudiantes, es difícil el acceso al material de cada alumno, lo que repercute negativamente en el aprendizaje. • El número de equipos disponibles: una dotación ajustada al número de alumnos facilita la distribución de éstos en grupos pequeños; de este modo, se incrementa el manejo individual del equipo y la discusión en grupo de los datos recogidos. Una mayor cantidad de equipos MBL en los centros también supone tener material de repuesto en caso de que algún componente del equipo, por ejemplo un sensor, falle durante una sesión de prácticas. • El tiempo necesario para la preparación del equipo: la falta del mismo puede disminuir su uso. Esta faceta es común a todo trabajo de laboratorio, si no se dispone de recursos humanos o de tiempo destinado a la preparación de las prácticas. • Las horas lectivas dedicadas al trabajo en el laboratorio: en el caso de los equipos con sensores, el tiempo que dura el experimento puede ser muy corto, por tanto, otros aspectos como la discusión, el análisis posterior de los datos y la elaboración de conclusiones pueden tratarse en las horas lectivas de «teoría». • La escasa formación del docente para trabajar con estos equipos: éste se ha planteado como uno de los principales motivos para la no utilización de los mismos. Hay estudios (Sassi, Monroy y Testa, 2005) que revelan el escaso conocimiento y aplicación de las potencialidades didácticas de los equipos MBL. Sin embargo, hay experiencias de formación del profesorado basadas en la práctica reflexiva (Guitart, Doménech y Oro, 2008), con resultados muy positivos para paliar este desajuste.

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Buenas prácticas de Física utilizando sensores A continuación se proponen tres trabajos prácticos de Física utilizando sensores, que ejemplifican las orientaciones y las reflexiones didácticas expuestas en el capítulo. El primero está dirigido al cuarto curso de la educación secundaria obligatoria (ESO); el segundo se puede aplicar en segundo o cuarto curso de la ESO, y el tercero, en segundo de bachillerato. Otros ejemplos se pueden encontrar en: • Oro (2004c): «Distancia de frenada de un coche». • CDEC (2006): «¿Quién hace más fuerza cuando chocan, un camión o un coche?». • CDEC (2008): «El día y la noche, la duración del día a lo largo del año y las estaciones».

«¿Escuchar música con auriculares provoca sordera?» El protocolo detallado puede hallarse en CDEC (2008). El trabajo práctico comienza al plantear la pregunta anterior, a la cual hay que responder. En esta actividad los alumnos tendrán que valorar el riesgo que supone para la salud la utilización de estos aparatos, a partir de la tabla adjunta (cuadro 3) y del diseño, realización y análisis de un experimento que utiliza un sonómetro conectado a una interfaz y un ordenador. Cuadro 3. Relación entre el nivel de presión sonora y el tiempo de exposición máximo, sin peligro

Nivel de presión sonora/dB

Tiempo de exposición/h

80

16

85

8

90

4

95

2

100

1

105

1/2

110

1/4

115

1/8

Fuente: American Conference of Governmental Industrial Hygienist (ACGIH).


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¿Cómo resolveremos el problema?

Se pone a disposición del alumnado la tabla del cuadro 3 (en página anterior) y los aparatos que necesita para hacer la investigación (imagen 3): • Reproductor MP3 y auriculares. • Sonómetro con posibilidad de conectar a la interfaz. • Interfaz y ordenador. Se les plantea que escriban los pasos que seguirán para responder a la pregunta. En la redacción tienen que Imagen 3. Interfaz-sonómetro y MP3 estar incluidas las medidas que realizarán, el tiempo que durarán, la disposición de los aparatos, el control de variables (la dependiente y la independiente), y la manera en que serán presentados los resultados. El profesor presenta el montaje que utilizarán antes de realizar las medidas, proceden a efectuarlas y, posteriormente, se analizan los datos. Análisis de los datos

Establecida la relación gráfica entre el nivel de presión sonora y el nivel de volumen correspondiente, los alumnos se colocan los auriculares y ajustan el control de volumen al valor en el que normalmente escuchan la música. De esta manera, y de acuerdo con el gráfico, obtienen el nivel de presión sonora que soportan y determinan, según la tabla del cuadro 3, el tiempo máximo de exposición. Por último, hacen una estimación de las horas semanales que escuchan música a un determinado nivel y establecen el tiempo de exposición diaria. Al comparar los dos valores pueden responder a la pregunta formulada al principio: «¿Creéis que escuchar música con auriculares es una actividad, potencialmente, peligrosa para vuestro oído?». Aplicación

Un grupo de estudiantes se queja de que no hay suficiente luz para trabajar, adecuadamente, en su aula. ¿Cómo podría decidirse si su reclamación está justificada?, ¿qué información habría que buscar?, ¿qué experimento habría que hacer?

«¿Cómo es el gráfico posición-tiempo de tu movimiento?» «¿Qué relación hay entre los gráficos x-t y v-t ?» El protocolo detallado puede hallarse en CDEC (2006). Se trata de una serie de trabajos prácticos que responden a las tres preguntas planteadas en el título. Estos ejercicios se pueden realizar en el aula con un único equipo y un proyector de vídeo. Es una experiencia en la cual los alumnos aprenden a relacionar los gráficos de un

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MRU con el movimiento, a identificar el sentido de éste con la forma del gráfico (pendiente), a calcular velocidades a partir del gráfico x-t y a relacionar el gráfico x-t con el v-t . ¿Cómo es el gráfico posición-tiempo de tu movimiento?

Un alumno o el profesor se mueven delante de un sensor de distancia, conectado a una interfaz y a un ordenador, y, éste último, a su vez, a un proyector de vídeo (imagen 4). Todos los alumnos ven, simultáneamente, el movimiento de la persona delante del sensor y el gráfico que se representa en la pantalla del proyector. En primer lugar, los alumnos tienen que entender el funcionamiento del sensor y cómo se representa, para lo cual se camina delante de él, en diferentes velocidades y distancias. Esto les permitirá hacer una representación gráfica cualitativa de cada movimiento en su hoja de trabajo. Se les pide, a continuación, que describan las diferencias de los gráficos en relación con el movimiento observado.

Imagen 4. Movimiento de una alumna delante de un sensor de distancia y gráfico resultante de la posición en función del tiempo

Fuente: J. Oro.

En segundo lugar, se plantea a los estudiantes que hagan una predicción del gráfico que saldría en un movimiento similar al siguiente: un alumno está situado en la posición 0,5 m; camina lentamente y de forma constante, pero se aleja del sensor durante 4 segundos, se detiene 4 segundos más y, después, se dirige hacia el sensor más rápido que al principio hasta la posición de origen. Una vez realizada la predicción y discutida con el resto de los miembros del grupo, se pasa a realizar el experimento delante del sensor. Se les pide que comparen el resultado con sus predicciones y, en el caso de que no coincida, describan por escrito el movimiento que corresponde a sus predicciones.


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En tercer lugar tienen que hacer un movimiento delante del sensor que corresponda a un gráfico lo más parecido al de la imagen 5. x

(m) 4

2

0 0

4

8

12

16

20

t (s)

Imagen 5. Gráfico posición-tiempo que debe aparecer en la pantalla del ordenador como resultado del movimiento de un alumno delante de un sensor de distancia

Se pide al alumno que relacione los diferentes tramos con el movimiento realizado en cada uno de ellos. Una pregunta que tendrá que responder es: «¿Por qué es imposible conseguir los gráficos puntiagudos que aparecen en los gráficos ideales?». Como actividad de aplicación, el alumno se inventa un movimiento (formado por desplazamientos rectilíneos y uniformes), que representa, primero, en un gráfico y después realiza ante el sensor. ¿Cómo es el gráfico velocidad-tiempo de tu movimiento? En este caso se trata de hacer actividades similares, pero de manera que aparezcan en pantalla, únicamente, los gráficos v-t . ¿Qué relación hay entre los dos gráficos? Se configura el sistema para que x-t y v-t aparezcan en pantalla como un mismo gráfico. El alumno, previamente, tiene que dibujar un gráfico v-t a partir de uno x-t . Posteriormente, ha de realizar el movimiento y aproximarse al máximo al gráfico x-t ; al tiempo, puede observar la v-t que se representa y compararla con la que él ha realizado.

Por último, se le pide que haga una descripción de los dos gráficos, los relacione y explique las diferencias de los gráficos teóricos y los que aparecen en pantalla.

Análisis de sonidos con Audacity Audacity es un programa libre de código abierto que se utiliza para editar y grabar sonido. El protocolo detallado puede hallarse en Oro (2004b).

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Al conectar el ordenador a un micrófono y con el software anterior se puede hacer una secuencia de aprendizaje en la que el alumno construya: conceptos de onda compleja resultante de la suma de ondas sinusoidales simples; diferencia entre ruido y sonido armónico; onda estacionaria; timbre; y relacionar, en una segunda parte, las dimensiones de los tubos de un instrumento musical con la frecuencia correspondiente a la onda estacionaria que se genera. El trabajo práctico en sí, consta de dos partes. Primera parte

En esta fase se analizan: • Los tonos puros. Se calcula la frecuencia, se crean sonidos complejos a partir de los tonos puros y se analizan los gráficos correspondientes a los tonos complejos generados, para volver a comprobar que podemos considerarlos como sumas de las funciones sinusoidales correspondientes a los tonos puros (imagen 6). El programa permite hacer la transformada de Fourier para detectar la composición de frecuencias de una onda compleja. • Los sonidos musicales producidos por diferentes instrumentos. Al observar las formas de las funciones periódicas complejas observadas en sonidos de instrumentos reales, los alumnos las relacionarán con las funciones complejas generadas en el apartado anterior. Posteriormente, al realizar la transformada de Fourier, podemos observar la composición de frecuencias múltiples enteros de la fundamental que forman el sonido del instrumento musical.

Imagen 6. A la izquierda se observan cinco gráficos correspondientes a la generación con Audacity de cinco tonos puros de frecuencias 110, 220, 440, 880 y 1760 Hz, respectivamente. A la derecha se observa la suma de las cinco funciones correspondientes a los cinco tonos puros

Segunda parte

Se analizan las notas musicales producidas en diferentes tubos de ensayo en función de la longitud del tubo; y en una flauta dulce, según la posición de los dedos en los agujeros del tubo. Debido a la sencillez del software y del análisis, así como a la posibilidad de relacionar conjuntamente sonido y gráficos, pensamos que la utilización de esta tecnología nos permite hacer una buena integración entre teoría y práctica y realizar un estudio de las ondas estacionarias a partir de un contexto que interesa a muchos alumnos, como es la música.


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Buenas prácticas de Química utilizando sensores A continuación, proponemos experiencias en las que creemos que es beneficioso para los estudiantes el uso de equipos MBL frente a los equipos clásicos. Los protocolos detallados, en los que se ofrecen experimentos en diversos contextos, pueden encontrarse en Tortosa (2005, 2006, 2008b y 2008c). Las dos primeras experiencias se proponen para el bachillerato; el tercer montaje es adecuado tanto para el segundo ciclo de la ESO, como para bachillerato, y el último, para los primeros cursos de la ESO.

Estudio de disoluciones reguladoras Nivel: bachillerato Una de las aplicaciones que puede hacerse en el aula mediante el uso de sensores de pH es el estudio del comportamiento de las disoluciones reguladoras. La experiencia consiste en medir, simultáneamente (imagen 7) las variaciones de pH de una disolución reguladora y de agua desionizada, al añadir cantidades iguales de ácido o de base a ambas. Este experimento sencillo ilustra el comportamiento de las disoluciones tampón y es útil para ayudar a los estudiantes a justificar o predecir si algunos líquidos de uso común tienen comportamiento regulador del pH.

Imagen 7. Esquema del montaje y variación del pH en función del tiempo, obtenida al añadir idénticas cantidades de NaOH 0,01M y de HCl 0,01M a agua desionizada y a disoluciones tampón naturales

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La eliminación de hierro en un agua contaminada Nivel: bachillerato En la práctica se estudia la eliminación del catión hierro (III) de un agua contaminada con este metal, por precipitación y posterior filtración. Se realiza una valoración por conductimetría, al añadir hidróxido de sodio a una disolución de Fe3+ (aq), lo que lleva a la formación de un precipitado de hidróxido de hierro (III). El sensor de conductividad nos permite determinar el punto final de la valoración (imagen 8).

Imagen 8. Resultados de la valoración conductimétrica de Fe3+(aq)

Esta práctica permite al alumnado interpretar la variación de conductividad de un agua contaminada con cationes metálicos al añadir otra sustancia que forma un precipitado; también introduce la base para entender los procesos de precipitación y filtración que se usan para descontaminar aguas residuales.

La medida de la presión y su evolución en diferentes experiencias Nivel: tercero y cuarto de ESO y bachillerato Las variaciones de presión en un experimento son laboriosas de determinar con los equipos clásicos de los laboratorios que hay en los centros docentes; en cambio, hacerlo con un sensor de presión es simple en la mayoría de los casos. Este hecho abre un gran abanico de posibilidades. Para seguir cuantitativamente la evolución de la presión en un experimento, puede utilizarse un montaje experimental sencillo (imagen 9), que consiste en un matraz erlenmeyer tapado con un tapón de goma, atravesado por una aguja hipodérmica y conectada al sensor de presión. Si es necesario, de acuerdo con el proceso que se quiera estudiar, puede incorporarse al conjunto una segunda aguja que atraviese el tapón de goma y que estará conectada a una jeringa que permita añadir líquidos al proceso. Se debe vigilar, especialmente, que la medida de la boca del matraz erlenmeyer y la del tapón sean adecuadas, con el fin de que todo Imagen 9. Montaje para la medida de quede bien cerrado y se eviten pérdidas de gas. variaciones de presión


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Con este montaje se pueden trabajar conceptos como la presión de vapor de los líquidos y la variación provocada por la temperatura (si se sumerge el conjunto en un baño de agua), la velocidad de reacción en caso de variación de gas, o bien determinar la masa molar de líquidos volátiles y estudiar otros procesos que comporten variaciones de presión, o bien el estudio de presiones de vapor (protocolos contextualizados y detallados en Tortosa, 2005).

Cambios de estado La ebullición de líquidos puede realizarse mediante un baño de arena casero (una placa de horno llena de arena de playa que se calienta mediante una resistencia eléctrica, imagen 10a), con el que se puede efectuar un abanico de experimentos, útil para alumnos en los primeros cursos de educación secundaria. En la imagen 10b se puede ver la variación de la temperatura con el tiempo al calentar simultáneamente dos líquidos: mientras la acetona está en ebullición, la temperatura del etanol es superior y sigue en aumento.

Imagen10a. Vasos con acetona y etanol que

Imagen 10b. Variación de la temperatura con el

son calentados en un baño de arena cons-

tiempo al calentar acetona y etanol

truido con materiales caseros, con los sensores de temperatura en su interior

En síntesis, ¿qué nos puede aportar de nuevo el trabajo con sensores? De todas las ventajas que nos puede aportar esta tecnología, subrayamos las tres siguientes: • Toma de datos rápida con un diseño adecuado. • Obtención del gráfico del fenómeno en tiempo real. • Obtención de medidas dificultosas de conseguir con los equipos clásicos. Con un diseño adecuado, la toma de datos experimentales puede durar segundos o pocos minutos; esto nos lleva a disponer de un bien escaso, el tiempo, que lo podemos aprovec har de diversas maneras acorde con los objetivos planteados. Un uso clásico es hacer más me-

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didas, para poder realizar otros cálculos estadísticos y obtener unos resultados más fiables. Pero con las pocas horas lectivas de las que disponemos en las clases de ciencias, podemos plantearnos otros usos del tiempo. Debemos considerar utilizar los sensores para realizar tareas que comporten actividades más creativas para los estudiantes, como la discusión de los resultados obtenidos, el hacerlos participar en el diseño de experimentos nuevos relacionados con el estudio o el control de variables, y la ejecución y discusión de estos nuevos experimentos. Actividades cognitivas de alto nivel (Zoller y Tsaparlis, 1997) que pueden guiarlos a un aprendizaje más significativo. Las actividades con sensores amplían el rango de fenómenos que se pueden trabajar en los laboratorios de educación secundaria y permiten establecer una conexión más evidente entre el hecho que se está estudiando y los datos recogidos en forma de tablas o gráficos. Existen numerosos estudios que concluyen que un enfoque adecuado del trabajo con sensores puede ayudar, significativamente, a la construcción del conocimiento.


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ACTIVIDAD Actividad práctica de física con sensores

Escoge una de las experiencias o investigaciones presentadas en este capítulo, o alguno de los otros ejemplos que se pueden encontrar en la bibliografía. Incluye la actividad y adáptala si fuera necesario en la secuencia de enseñanza que elabores. Planifica la actividad en función de la propuesta de la hoja de trabajo que se detalla más abajo (cuadro 4). Posteriormente, realiza la actividad con el grupo de alumnos, según la planificación propuesta. Al final, valora cómo ha funcionado el trabajo práctico y enumera los cambios que introducirías en la planificación y en el protocolo si lo tuvieras que hacer de nuevo. Cuadro 4. Propuesta de planificación de la actividad

TÍTULO DE LA ACTIVIDAD: TÍTULO DE LA SECUENCIA DIDÁCTICA: NIVEL: OBJETIVOS • ¿Cuáles son los objetivos de aprendizaje que me planteo con la actividad? • ¿Qué contenidos se trabajarán?

DISEÑO DE LA ACTIVIDAD • ¿Qué protocolo u hoja de trabajo voy a utilizar para el alumno? (Si se modifica o se sustituye uno de los propuestos, adjunta el nuevo protocolo y justifica los cambios). • ¿Qué material de laboratorio de uso común se necesitará en el trabajo práctico? • ¿Qué material relacionado con el equipo de sensores y material audiovisual e informático se necesitará?

GESTIÓN DEL AULA Y EVALUACIÓN • ¿Los alumnos trabajarán individualmente, en pequeños grupos o con toda la clase? • ¿De qué manera relaciono los objetivos de aprendizaje que me he planteado con la metodología utilizada, con el agrupamiento de alumnos que he hecho, los recursos materiales, la utilización o no de protocolo de prácticas, etc.? • En el caso de que se planifique más de una sesión para desarrollar la actividad, ¿cuáles son las partes de la práctica que se desarrollarán en cada sesión? ¿Dónde se hará cada parte y cuál será la temporalización? • ¿Los alumnos necesitan conocimientos previos del tema al cual se refiere el trabajo práctico? En caso afirmativo, ¿cuáles? • ¿Qué hará el profesor en esta actividad? • ¿Qué harán los alumnos? • ¿Cómo evaluaré el funcionamiento de la actividad y cómo conoceré la opinión de los alumnos?

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7. SIMULACIONES: HERRAMIENTAS PARA LA ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE EN FÍSICA Y QUÍMICA


• • • • • • • • • • • • •

Simulaciones o applets Características de los applets Visualización de fenómenos y experimentos difíciles de realizar Obtención de resultados cuantitativos y cualitativos Modelización a escala submicroscópica Visores moleculares Laboratorios virtuales Algunos inconvenientes de las simulaciones Tipos de simulaciones Requisitos de una buena simulación y criterios para su evaluación Utilización de las simulaciones Orientaciones para un uso eficaz ¿Cómo encontrar los applets?

Octavi Casellas

Centro de Recursos Pedagógicos. Servicio Educativo de El Gironès Fina Guitart

Centro de Documentación y Experimentación en Ciencias. Departamento de Educación. Generalitat de Catalunya A lo largo de las últimas décadas nuestra sociedad ha vivido, y está viviendo, una gran revolución: la de las nuevas tecnologías. A principios de los años 80 del siglo XX se presentaba el primer ordenador personal con unas prestaciones de velocidad, de capacidad de almace-

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namiento, de posibilidades gráficas... situadas a años luz de las características de los ordenadores actuales. Este hecho marcó, junto con la aparición y universalización de Internet, el punto de partida de unos avances informáticos que nos sitúan en un presente inimaginable hace algunos años y con unas perspectivas de crecimiento futuro difíciles de predecir. Esta revolución ha afectado por igual a todos los ámbitos de la sociedad y, actualmente, muchas de nuestras tareas cotidianas no las podemos imaginar sin el concurso de las herramientas digitales. En el ámbito educativo los ordenadores y proyectores en las aulas cada vez son más frecuentes, y en los últimos tiempos se incorporan pizarras digitales y ordenadores portátiles para el uso personal de los alumnos.

Simulaciones o applets Progresivamente, el profesorado ha incorporado en su práctica docente la utilización de simulaciones, que son programas informáticos capaces de reproducir fenómenos o modelos científicos (las que no permiten la interacción por parte de los usuarios son las animaciones). animaci ones). Entre las simulaciones, los applets son programas cortos en Java o Flash diseñados para ser ejecutados desde Internet. Estas herramientas digitales son cada vez más conocidas y utilizadas con el objetivo de facilitar al profesorado su tarea docente, y al alumnado su proceso de aprendizaje.

Características de los applets Los applets o simulaciones (fislets en el caso de física) se han convertido en una herramienta utilizada en las aulas, debido a sus características técnicas como son la velocidad de ejecución, la gran capacidad gráfica y visual, la sencillez de uso, la accesibilidad, la posibilidad de interacción con el usuario, la representación de fenómenos y experimentos difíciles de llevar a cabo en la realidad y la modelización a escala submicroscópica de estructuras y procesos (estructura de la materia, enlaces, reacciones químicas...). Veámoslo con detalle.

Velocidad de ejecución Los procesadores aumentan continuamente sus prestaciones y permiten realizar en pocos segundos cálculos y gráficos que hace algunos años representarían días, semanas o incluso meses de trabajo. Por ejemplo, en el applet «Electrostática» «Electrostática»1 (imagen 1) podemos Imagen 1. Electrostática de FisLab.net 1. www.xtec.cat/~ocasella/applets/elect/appletsol2.htm (Casellas, 2005a).

SIMULACIONES: HERRAMIENTAS PARA LA ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE EN FÍSICA Y QUÍMICA

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observar las líneas equipotenciales creadas por un conjunto de veinte cargas eléctricas; eso supone la realización en sólo cuatro o cinco segundos de 480.000 cálculos del potencial eléctrico en un punto, y su representación gráfica según un código de colores. Algunas simulaciones combinan representaciones a nivel molecular, valores numéricos y gráficos. Con la simulación «Equilibrio químico»2 (imagen 2) podemos observar una reacción química, en la cual se puede variar la temperatura, el volumen y el número de moléculas iniciales; además, los gráficos y las concentraciones se actualizan de forma prácticamente instantánea. Imagen 2. Equilibrio químico

Gran capacidad gráfica y visual Los ordenadores actuales más simples disponen de pantallas gráficas de alta resolución que permiten observar virtualmente fenómenos con gran semejanza con la realidad. Por ejemplo, la simulación «Efecto fotoeléctrico»3 (imagen 3) nos presenta la experiencia con gran realismo y la simulación «Ley de Boyle»4 (imagen 4, en página siguiente) expone un experimento de laboratorio en el que al empujar un émbolo se varía el volumen de gas y se registran los valores de volumen y presión; otro ejemplo es la simulación «Conductividad de las sustancias disueltas en agua»5 (imagen 5, en página siguiente). Imagen 3. Efecto fotoeléctrico de Educaplus 2. www.chem.arizona.edu/chemt/Flash/NH3.html (Pollard y Talanquer). 3. www.educaplus.org/play-112-Efecto-fotoel%C3%A9ctrico.html (Peñas). www.educaplus.org/play-117-Ley-de-Boyle.html 7-Ley-de-Boyle.html (Peñas). 4. www.educaplus.org/play-11

5. www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.html#electrochem (Greenbowe).

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Imagen 4. Ley de Boyle de Educaplus

Imagen 5. Conductividad de soluciones

Sencillez de uso El entorno y la interactividad de la mayoría de los applets permiten manejarlos de forma intuitiva sin que el usuario deba adquirir conocimientos c onocimientos específicos. Por ejemplo, el «Faraday’s Magnetic Field Induction Experiment»6 (imagen 6) permite experimentar la inducción electromagnética al mover, simplemente, el imán con el ratón; con la «Balanza monoplato»7 (imagen 7) se puede manejar virtualmente una balanza, con la finalidad de medir la masa de cantidades distintas de varios gases.

Imagen 6. Experimento de Faraday

Imagen 7. Balanza monoplato

Accesibilidad La gran extensión de la red Internet y los estándares técnicos de los applets (lenguaje Java y Flash, en su gran mayoría) han facilitado que cualquier c ualquier usuario pueda acceder a ellos. Por

6. micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/faraday2/ (Davison). 7. www.educaplus.org/play-104-Balanza-monoplato.html (Peñas).


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ejemplo, la colección de applets de Walter Fendt8 (imagen 8), quizá los más conocidos, los podemos obtener mediante cualquier buscador con las palabras claves «applets» «física» y ejecutar en cualquier navegador (con el plugin de Java). Algunas colecciones incluyen applets de distintas disciplinas, como es el caso de la colección PhET de la universidad de Colorado, que contiene simulaciones de diversas materias, en distintos idiomas y con propuestas de actividades para su utilización. La imagen 9 muestra la pantalla de acceso al apartado de applets de Química de la colección PhET.9

Imagen 8. Logotipo de los applet s de Walter Fendt

Imagen 9. Interactive Simulations PhET

Interacción con el usuario Los applets permiten algún tipo de interacción simulación-usuario de forma que el profesor o el alumno pueden experimentar con un fenómeno al variar, fácilmente, algunos de de los parámetros que lo afectan. Por ejemplo, en «Energy Skate Park»10 (imagen 10) podemos modificar la trayectoria del carril o el punto de partida del skater así así como muchos otros parámetros (gravedad, fricción...). En el ámbito de la Química, un ejemplo en el cual pueden modificarse las variables es la simulación «Energy exchanges associaImagen 10. Energy Skate Park

8. www.walter-fendt.de/ph14s/ (Fendt). (Fendt). phet.colorado.edu/simulations/index.php?cat=General_Chem lations/index.php?cat=General_Chemistry istry (University 9. phet.colorado.edu/simu (University of Colorado at Boulder).

10. phet.colorado.edu/simu (University of Colorado at Boulder). phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Energy_Skate_Par lations/sims.php?sim=Energy_Skate_Park k (University

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FÍSICA Y QUÍMICA. INVESTIGACIÓN , INNOVACIÓN Y BUENAS PRÁCTICAS

ted with dissolving salts in the water»11 (imagen 11), que registra numérica y gráficamente la temperatura de una disolución cuando se disuelve una sal en agua, y permite modificar variables como la masa y el tipo de soluto, además del volumen del agua.

Imagen 11. Intercambios de energía asociados a la disolución de sales en agua

Visualización de fenómenos y experimentos difíciles de realizar Muchos experimentos no se pueden realizar en los laboratorios de física debido a factores diversos: equipos técnicos de coste elevado, procesos muy rápidos o excesivamente lentos, l entos, utilización de materiales peligrosos... Las simulaciones permiten en esos casos suplir, con carácter virtual, estas experiencias. Por ejemplo, en «Half Life»12 (imagen 12) podemos utilizar materiales radiactivos radiacti vos sin perjuicio para nuestra salud o podemos experimentar con la «Dispersión de Rutherfhord»13 y visualizar las trayectorias de las partículas (imagen 13).

Imagen 12. Fislet Half Life

Imagen 13. Dispersión de Rutherford en Interactive Simulations PhET

11.

www.chem.iastate.edu/group/Green www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfo bowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermoch lder/flashfiles/thermochem/heat_soln.swf em/heat_soln.swf

(Greenbowe). 12. www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html (Goldman). phet.colorado.e ado.edu/sim du/sims/rut s/rutherfo herford-sc rd-scatter attering/r ing/ruther utherfordford-scatte scattering_ ring_es.jnl es.jnlp p (University of Colorado at Boulder). 13. phet.color


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Obtención de resultados cuantitativos y cualitativos La observación de un fenómeno simulado permite analizar con detalle los resultados, ya sean numéricos o conceptuales. Por ejemplo, en «Movimiento parabólico»14 (imagen 14) podemos obtener la velocidad (módulo, dirección, componentes) de la pelota en cualquier instante de su trayectoria. En «El péndulo»15 (imagen 15) podemos observar la dirección y el sentido de la velocidad a lo largo de toda la oscilación.

Imagen 14. Movimiento parabólico

Imagen 15. El péndulo en la colección de applets

en FisLab.net

de Walter Fendt

En algunas ocasiones el mismo applet puede puede ser utilizado desde el punto de vista cualitativo o bien cuantitativo; un ejemplo de ello es el applet «Gibbs «Gibbs Free Energy»16 (imagen 16), que permite visualizar la ecuación de la energía libre de Gibbs desde un punto de vista cualitativo (predice, solamente, las condiciones en las que la reacción tiene lugar espontáneamente), o cuantitativamente con el cálculo de ∆G0. Es decir, se puede elegir la opción de desplazar los extremos del gráfico (y ver la zona de espontaneidad y no espontaneidad), o bien introducir valores de ∆H0 y ∆S0 en las correspondientes casillas. Imagen 16. Energía de Gibbs

14. www.xtec.cat/~ocasella/applets/movparab/appletsol2.htm (Casellas). 15. www.walter-fendt.de/ph14s/pendulum_s.htm (Fendt). 16. Gibbs free energy en: chemconnections.org/Java/Gibbs/Gibbs.html

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Modelización a escala submicroscópica Uno de los retos de enseñar y aprender Química es la relación entre el nivel macroscópico de los fenómenos y el nivel de representación submicroscópico. Las animaciones, simulaciones simulac iones en las cuales no hay interacción con el usuario, constituyen una herramienta útil para ayudar a los alumnos a la construcción de modelos a escala submicroscópica y para establecer relaciones entre los fenómenos y un determinado nivel de representación.

Imagen 17. Reacción del cobre con nitrato de plata (aq)

El profesorado debe elegir las más apropiadas, puesto que algunas de ellas pueden inducir a errores conceptuales. Conviene establecer un diálogo con los alumnos, para discutir similitudes y diferencias, establecer analogías, etc. Podemos citar como ejemplo las que se encuentran en el portal TIGER.17 La imagen 17 corresponde a una animación de la reacción del cobre con nitrato de plata, y la imagen 18 a una animación de los rayos canales de este portal. Para acceder a las animaciones TIGER, que pueden ser descargadas, debe solicitarse un password de de acceso. También podemos incluir en este apartado muchas de las animaciones de las unidades didácticas de algunos proyectos educativos, como las animaciones de cambios de estado de la web del CNICE18 (imagen 19).

Imagen 18. Animación Rayos canales

Imagen 19. Animaciones que relacionan fenómenos macroscópicos con modelos submicroscópicos

17. chemistry.ncssm.edu/department/tiger.html (TIGER). 18. concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/cambios.htm


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Visores moleculares Internet ofrece muchas posibilidades para visualizar moléculas en tres dimensiones y rotarlas a voluntad para comprender mejor su estructura tridimensional. Este tipo de animaciones se puede encontrar en distintos formatos que permiten observar, como se ha dicho, la estructura de las moléculas en 3D y en movimiento, con giros en el espacio (Cebollada, 2005; Talanquer, 2010). Educaplus ofrece un catálogo muy completo de moléculas, en el cada vez más popular formato Flash19 (imagen 20). Además de compuestos orgánicos con distintos grupos funcionales, incluye también moléculas de vitaminas, fármacos, explosivos, drogas, etc., e incorpora una sección con geometría molecular basada en la teoría VSEPR. Para ver estas animaciones se requiere el plugin gratuito Flash Player. Otra herramienta para la visualización de moléculas es el JMOL, que conjuga una buena relación sencillez de uso/ cantidad de recursos. A diferencia de otros visores, éste no necesita ser instalado, ya que se ejecuta sobre Java (De la Cruz y Giménez, 2010).

Imagen 20. Moléculas 3D de Educaplus

En la web Chemistry, Structures & 3D Molecules @ 3Dchem.com,20 podemos encontrar centenares de enlaces a páginas en las cuales se visualizan distintos tipos de moléculas. Entre ellos destacamos los enlaces a Rasmol, Chime, etc. También pueden encontrarse muchas estructuras en Webelements,21 una de las tablas periódicas en red más completas.

Laboratorios virtuales Son otra herramienta de gran interés en el ámbito de la Química. El término «laboratorio virtual» se utiliza para referirse a aquellas simulaciones en las cuales la actividad del usuario, generalmente el alumno, es análoga (o parcialmente análoga) a la actividad que se realizaría en una situación real (Aldrich, 2005; Cuadros, 2010).

19. www.educaplus.org/moleculas3d/index.html 20. www.3dchem.com 21. www.webelements.com

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En algunos casos funcionan on-line y, en otros, pueden ser descargados y utilizados en local.

Imagen 21. The Chemcollective

Existen laboratorios con un entorno de trabajo sencillo, adecuados a los primeros cursos de educación secundaria, pero la mayoría de ellos encuentran una mayor aplicación en el bachillerato. Este es el caso del laboratorio virtual The ChemCollective22 (imagen 21) de la Universidad de Pittsburg, que está traducido a distintos idiomas, entre ellos el castellano, y que contiene ejemplos de actividades para el alumnado.

Algunos inconvenientes de las simulaciones Se han comentado hasta el momento, las características y ventajas de las simulaciones y su posible utilización en las clases de Física y de Química, pero también es cierto que tienen algunos inconvenientes: • Son procesos simulados y, por tanto, perfectos en sus resultados, lo cual puede inducir al alumnado a tener una concepción errónea de la realidad. • La utilización de los fislets no debe producir, en ningún caso, el abandono de los experimentos de laboratorio, donde el alumno podrá adquirir un conocimiento real de los procesos de medida y de representación.

Tipos de simulaciones Podemos clasificar las simulaciones en función de distintos criterios. Por ejemplo, en cualitativas o cuantitativas, según su grado de interacción o el lenguaje de programación. A continuación se describen algunos tipos.

Cualitativas/cuantitativas A menudo el interés del profesor radica únicamente en que el alumno comprenda conceptos (campo eléctrico, longitud de onda, aceleración, inducción, cambios de estado, reacción química, energía de Gibbs), de manera que las imágenes o gráficos simulados serán de gran utilidad. Cuando los profesores y los alumnos deseen comprobar numéricamente el resul-

22. www.chemcollective.org/vlab/vlab.php?lang=ca (The ChemCollective).


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tado de una experiencia virtual, los applets proporcionarán esta información, además de la representación visual.

Grado de interacción Algunos applets permiten la modificación de muchos de sus parámetros o variables iniciales, por ejemplo, en fislets de mecánica (posición y velocidad inicial, gravedad, fricción, fuerza externa, inclinación, etc.), y en laboratorios virtuales de química; mientras que los applets más simples sólo permiten iniciar y detener la simulación.

Entornos Java y Flash son los dos lenguajes de programación más utilizados para la confección de los applets. La confección de los fislets a través de estos lenguajes es compleja y requiere un alto grado de conocimiento informático. De todas maneras, el usuario final no es preciso que conozca el tipo de lenguaje utilizado y las simulaciones funcionan, perfectamente, en cualquier ordenador (con una preinstalación en el navegador de la máquina virtual de Java o el plugin del Flash). Existen también programas, normalmente no gratuitos, que facilitan al usuario la creación de simulaciones propias («Interactive Physics»23 «Crocodile Clips»,24 «Newton»25) sin necesidad de conocimientos informáticos de lenguajes de programación.

Funcionalidad Desde el punto de vista de su funcionalidad, pueden clasificarse en applets que: • Simulan el movimiento de los cuerpos que pueden verse a simple vista. Son muy útiles para el análisis de la influencia de variables. • Simulan fenómenos que son difíciles de estudiar en la realidad, porque se producen en intervalos de tiempo muy cortos o muy largos como, por ejemplo, el movimiento de los astros. • Simulan experimentos que, en algunas ocasiones, tienen poca interacción; en otros, por el contrario, el usuario tiene una gran posibilidad de interactuar, como en los laboratorios virtuales. • Reproducen de manera sencilla situaciones complejas a nivel submicroscópico, que tienen poca o nula interacción (animaciones), pero que pueden facilitar el proceso de modelización (animaciones donde se visualizan átomos, moléculas, reacciones, estructuras...).

• Procesan la información y realizan cálculos (procesadores), como en el caso de las tablas periódicas interactivas, applets para igualar ecuaciones químicas, etc. • Visualizan moléculas. Se trata de visores moleculares que permiten la representación tridimensional y la rotación de moléculas en el espacio. 23. www.design-simulation.com/ip/index.php (Design Simulation Technologies). 24. www.crocodile-clips.com/es/Home/ (Crocodile Clips). 25. www.ite.educacion.es/paula/newton/ (Instituto de Tecnologías Educativas).

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Requisitos de una buena simulación y criterios para su evaluación Para que las simulaciones puedan ser de uso generalizado y correcto deben cumplir tres requisitos básicos: ser auténticas, adoptables y adaptables. Una simulación auténtica es la que responde a objetivos educativos reales; es decir, más que interesantes o atractivas para los profesores, deben ser útiles para que los alumnos aprendan. Adoptable significa que su incorporación al aula, por parte del profesorado, apenas presente dificultades. Y finalmente, una simulación es adaptable si es fácil de modificar para el entorno educativo particular. Por tanto, para evaluar un applet (Bohigas, Jaén y Novell, 2003) se deberían analizar y tener en cuenta parámetros tales como: su facilidad de utilización; el grado de interactividad; el grado de configuración o las posibilidades de modificar variables iniciales que ofrece al profesor para adaptarla a las necesidades específicas; la fiabilidad del origen; la disponibilidad, y el tiempo de carga. Los creadores deberían generar applets pequeños, cómodos, con posibilidad de interacción, que no resulten complejos para el alumnado, que sean de distribución gratuita y que adjunten instrucciones de uso, puesto que, aunque generalmente no son necesarias, el usuario siempre las agradece.

Utilización de las simulaciones Es evidente que para poder utilizar las simulaciones como recurso didáctico es imprescindible que el profesorado sepa dónde encontrarlas y que conozca ejemplos de simulaciones de distintas características. Sin embargo, es evidente también que, el hecho de utilizar simulaciones en el aula o de proponer actividades para que los alumnos las utilicen no garantiza el éxito en el aprendizaje. A continuación se citan diversas maneras de utilizar las simulaciones por parte del profesorado y del alumnado, y también algunas orientaciones para que constituyan auténticas herramientas de enseñanza-aprendizaje. El profesorado utiliza las simulaciones de la manera siguiente: • Como soporte gráfico para explicar muchos de los conceptos abstractos de la física. • Para visualizar una gran cantidad de ejemplos (y experimentarlos virtualmente) en un tiempo reducido, debido a la facilidad en la variación de los parámetros. • Para visualizar dibujos, esquemas y gráficos que sin la utilización de los applets serían muy complicados de realizar o requerirían mucho tiempo. • Como comprobación de los resultados gráficos y numéricos, tras la predicción cualitativa de un fenómeno o a la realización de ejercicios o cuestiones en el aula. • Como preparación de ejercicios o cuestiones para los alumnos (o ante pruebas escritas), para obtener de inmediato las soluciones gráficas y numéricas.


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• Para preparar virtualmente la comprensión de una experiencia que, posteriormente, se realizará con los alumnos en el laboratorio. El alumnado los utiliza de la manera siguiente: • En el aula de informática o en el laboratorio bajo la supervisión del profesor; pero también en su casa, bien para la realización de tareas dirigidas o como soporte al estudio. • Como herramienta de autoaprendizaje: el alumno puede ejercitarse en la resolución de problemas numéricos y gráficos y puede verificar de inmediato la solución correcta. • Para la preparación de las pruebas escritas: como soporte para la comprensión de conceptos y para la resolución de ejercicios. No cabe duda de que, como en todo proceso educativo, el papel dinamizador del profesor es fundamental para que el alumno saque el máximo provecho de la potencialidad de los applets.

Orientaciones para un uso eficaz Las simulaciones son recursos interactivos que permiten a los alumnos hacer conexiones entre los fenómenos de la vida real y los modelos que explican estos fenómenos. El diseño de los applets no sólo requiere especialistas en programación en los lenguajes específicos; para que las simulaciones ayuden a los alumnos en el proceso de aprendizaje y a la comprensión de conceptos y modelos científicos, en su diseño deben incorporarse especialistas en la enseñanza que aporten los resultados de la investigación y de la didáctica de las Ciencias (University of Colorado at Boulder, 2009a). Para ayudar a los alumnos a entender los conceptos de una manera visual, en muchas ocasiones, las simulaciones pretenden animar lo que es invisible para el ojo humano, mediante dibujos, gráficos, teclas de control intuitivas, etc. A fin de potenciar las aplicaciones cuantitativas, las simulaciones proporcionan, también, instrumentos de medida, como termómetros, voltímetros, pHmetros, etc. Cuando se manipulan estas herramientas interactivas, se obtienen respuestas inmediatas de manera que pueden ilustrarse relaciones causa-efecto y otras múltiples representaciones (diagramas, gráficos, etc.). Para garantizar su efectividad, las simulaciones deben ser probadas y evaluadas por el profesorado y por los alumnos en actividades diversas: en clase, en el laboratorio, en casa, de manera individual o en grupo. El requisito tal vez más importante para conseguir el uso eficaz de una simulación es que el profesorado la conozca bien antes de presentarla a los alumnos, así como que defina el objetivo didáctico específico de su utilización. Es fundamental que la simulación parta de

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una situación problema, donde los alumnos formulen hipótesis previas, que comparen la simulación con los fenómenos reales y establezcan similitudes y diferencias (Guitart, 2005).

¿Cómo encontrar los applets? Los fislets pueden encontrarse en los buscadores con palabras clave como «física», « physics», «applet», «fislet»..., seguidas de la parte de la física que nos interesa («cinemática», «kinematics», «óptica», «optics»...), o del concepto que deseamos estudiar (campo eléctrico, electric field, aceleración centrípeta). De esta forma, podemos acceder a los applets contenidos en el cuadro 1. Cuadro 1. Direcciones web donde hallar applets de Física

NOMBRE

AUTOR

DIRECCIÓN WEB

FisLab.net

Octavi Casellas

www.fislab.net

Educaplus

Jesús Peñas

www.educaplus.org

Applets Java de Física

Walter Fendt

www.walter-fendt.de/ph14s/

NTNUJava Virtual Physics Laboratory Fu-Kwun Hwang

www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/

En el caso de los applets de Química, también pueden utilizarse los buscadores con palabras clave como «química», «applets» y algunos de los bloques temáticos o conceptos de esta materia (ácido-base, redox, termoquímica, enlace) (cuadro 2). Cuadro 2. Direcciones web donde hallar applets de Química

NOMBRE

AUTOR

DIRECCIÓN WEB

PhET Interactive Simulations

University of Colorado at Boulder

phet.colorado.edu/simulations/index.php

Chemical Education at the University of Arizona

John Pollard, Vicente Talanquer

www.chem.arizona.edu/chemt/ido.html

Dept. of Chemistry, Iowa State University

Thomas J. Greenbowe

www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/ sections/projectfolder/simDownload/

Molecules in Motion Java Applet

ChemConnections

chemconnections.org/Java/

Virtual Chemistry Experiments

David N. Blauch

www.chm.davidson.edu/vce/

Estos portales contienen selecciones de applets, normalmente catalogados por niveles o temas y optimizados, de manera que nos ahorran la tediosa tarea de buscar, probar, escoger, referenciar, etc. Es frecuente encontrar colecciones de animaciones y simulaciones de applets tanto de química como de física. Algunos de las más destacadas actualmente se presentan en el cuadro 3 (en página siguiente).


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Cuadro 3. Colecciones de animaciones y simulaciones de applet s de Física y Química

NOMBRE

AUTOR

DIRECCIÓN WEB

La Baldufa

Xavier Bohigas, Xavier Jaén y Montse Novell

baldufa.upc.edu/

Portal Aragonés para la Enseñanza de la Física y la Química

José Luis Cebollada

www.catedu.es/cienciaragon/index.php

Página Profesores / Asignaturas / Instituto de Tecnologías www.ite.educacion.es/profesores/asignaFísica y Química del portal ITE Educativas del Ministerio turas/fisica_y_quimica/ de Educación Pàgina Escola Oberta / Ciències de Departament d’Educació de www.xtec.cat/recursos/ciencies/index.htm la naturalesa del Portal XTEC la Generalitat de Catalunya Pàgina Batxillerat / Recursos en Departament d’Educació de www.edu365.cat/batxillerat/recursos_ xarxa / Física del portal edu365.cat la Generalitat de Catalunya xarxa/fisica.htm Recursos de ciencias / Simulaciones Miguel Vaquero

deciencias.wordpress.com/simulaciones/

Applets de Química (bachillerato)

www.deciencias.net/proyectos/4particulares/ quimica/index.htm)

Miguel Vaquero

Taules d’algunes adreces web Josefa Guitart amb recursos interactius

www.xtec.net/~jguitar3/taules%20i%20 consells.htm


Características y potencial didáctico de una simulación o animación

Te proponemos elegir una simulación o animación entre las mencionadas en el capítulo o las que encuentres en Internet, y analizar sus características técnicas y su potencial didáctico: • Describe las características de la simulación respecto a su capacidad gráfica y visual, su sencillez o dificultades de uso y su grado de interacción con el usuario. • Identifica los contenidos curriculares que la simulación permite trabajar e indica para qué asignatura y nivel la consideras adecuada. • ¿Cuáles son sus puntos fuertes en relación a algún objetivo de aprendizaje concreto? ¿En qué medida consideras que puede contribuir al aprendizaje de los alumnos y al desarrollo de competencias? • ¿Cuáles son sus puntos débiles o limitaciones? ¿Su uso podría inducir a confusiones o potenciar concepciones alternativas en los alumnos?, ¿cuáles? ¿Cómo se podría solucionar o minimizar este problema?

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Actividad 2

Uso de una simulación en una unidad didáctica

En el capítulo 3, «Las secuencias didácticas en la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias: modelos para su diseño y validación», de Digna Couso, del volumen de Didáctica de la Física y la Química , se han ofrecido modelos para el diseño y validación de secuencias didácticas, y en este capítulo se han presentado distintos tipos de simulaciones y orientaciones para su uso en el aula. Se propone ahora incorporar algunas simulaciones o animaciones a la secuencia didáctica que tengas previsto implementar en el periodo de prácticas. Para ello: • Elige las simulaciones o animaciones que consideres adecuadas para la secuencia didáctica. Explica brevemente el motivo de esta elección. • Céntrate en una de las simulaciones elegidas y diseña una actividad que incorpore dicha simulación. Indica los objetivos didácticos de la actividad. • En qué fase de la secuencia didáctica incorporarás la actividad diseñada (exploración de ideas previas, introducción de conceptos, reestructuración, aplicación, etc.). • Redacta una propuesta para llevar a cabo la actividad en el aula en la que contemples distintos aspectos metodológicos: ¿en qué espacio?, ¿con qué medios?, ¿cuánto tiempo?, ¿trabajo individual, en grupo, en colaboración?, ¿cuál es el papel del docente?, etc. Consulta el capítulo 3 en: • CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó.


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALDRICH, C. (2005). Learning by doing: A comprehensive guide to simulations, computer games and pedagogy in e-learning and other educational experiences. San Francisco: Pfeiffer. BOHIGAS, X., JAÉN, X. y NOVELL, M. (2003). Innovaciones didácticas. Applets en la enseñanza de la Física. Enseñanza de las Ciencias, 21 (3), 463-472. CAAMAÑO, A. (coord.) (2011). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó. CEBOLLADA, J.L. (2005). Portal aragonés de la enseñanza de la Física y Química. Visores moleculares. Disponible en línea en: . DE LA CRUZ, A.L. y GIMÉNEZ, E. (2010). Codificació de models moleculars SMILEST TM i visualització tridimensional amb Jmol: un exemple de pràctica reflexiva. Educació Química EduQ, 7, 15-32. Disponible en línea en: . CUADROS, J. (2010). Portant el laboratori virtual a l’aula de química: alguns coms i alguns perquès. Educació Química EduQ, 6, 4-12. GUITART, J. (2005). Ús de les TIC per a l’ensenyament – aprenentatge de les ciències. Llicència d’estudis Departament d’Educació, 2004-05. Disponible en línea en: . TALANQUER, V. (2010). Construyendo puentes conceptuales entre las varias escalas y dimensiones de los modelos químicos. Educació Química EduQ, 5, 11-18.

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8. LA ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE DE LA TERMINOLOGÍA FÍSICOQUÍMICA: MAGNITUDES Y SÍMBOLOS


• • • • •

La importancia del lenguaje en las clases de ciencias ¿Qué es la terminología científica? Origen de las dificultades en el uso de los términos científicos ¿Cómo deben denominarse las magnitudes físico-químicas? Implicaciones didácticas

Aureli Caamaño

IES Barcelona-Congrés Universidad de Barcelona Glinda Irazoque

Universidad Nacional Autónoma de México En este capítulo se analizan las dificultades en el uso de la terminología química: la coincidencia de determinados términos en el lenguaje general y en el científico, el uso del lenguaje como una forma de etiquetaje, la existencia de términos polisémicos, la sinonimia, la evolución histórica del significado de determinados vocablos, los diferentes significados que adquiere un término a lo largo del currículo escolar y el mantenimiento por tradición de términos de significado equívoco. A continuación, se presentan las recomendaciones más importantes dadas por la IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry), IUPAP (International Union for Pure and Applied Physics) sobre la nomenclatura de las magnitudes físico-químicas y de sus unidades, así como la importancia de tenerlas en cuenta en las aulas.

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FÍSICA Y QUÍMICA INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y BUENAS PRÁCTICAS

La importancia del lenguaje en las clases de ciencias Actualmente se le reconoce al lenguaje una doble función: un sistema de transmisión de información y un sistema interpretativo de los fenómenos que ayuda a la formación de conceptos (Sutton, 1997). Los programas de estudio de todos los niveles educativos contemplan la expresión oral y escrita como competencias fundamentales en la educación científica. Diversas investigaciones (Sardá y Sanmartí, 2000) ponen de manifiesto las enormes dificultades con las que se enfrentan los alumnos cuando deben expresar y organizar un conjunto de ideas en un escrito que se construya con rigor científico, precisión, estructura y coherencia. Se han presentado problemas en la diferenciación de hechos observables e inferencias, en la identificación de argumentos significativos y en la elaboración de argumentos coherentes; pero también se han observado serias dificultades en el manejo de la terminología científica, ya que muchas veces no se distingue entre los conceptos de uso científico y los de uso común y se utilizan palabras propias del lenguaje coloquial. A menudo se piensa que los diferentes géneros lingüísticos son objeto de aprendizaje de las clases de lengua y no de las de ciencias. Sin embargo, las ideas de la ciencia se aprenden y construyen expresándolas, y el conocimiento de las formas de hablar y de escribir en relación con ellas es una condición necesaria para su evolución. Las nociones de texto científico y lenguaje especializado remiten, directamente, a un tipo de saber que se produce de acuerdo con los procedimientos de la ciencia. La manera como, por un lado, concebimos la ciencia y su relación con la realidad y, por otro lado, describimos su proceder y la acción de quienes la ejercen, determinan lo que entendemos por texto científico y lenguaje especializado. Así, de acuerdo con un paradigma específico, tenemos un lenguaje científico también específico y su aprendizaje se puede comparar al de una lengua diferente de la propia (Lemke, 1997).

¿Qué es la terminología científica? La terminología es la disciplina que estudia el léxico de los lenguajes de las distintas especialidades. En cada campo del conocimiento, la definición clara y precisa de los términos científicos y técnicos básicos tiene una significación especial. El lenguaje científico es un lenguaje de especialidad que se caracteriza por un vocabulario específico, que se aprende paralelamente al aprendizaje de cada una de las ciencias (Caamaño, 1998a). La ciencia y la técnica, en su incesante búsqueda de nuevos conocimientos y aplicaciones, precisa constantemente de la creación de terminología que haga referencia a los nuevos conceptos y métodos que se desarrollan.

LA ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE DE LA TERMINOLOGÍA FÍSICO-QUÍMICA: MAGNITUDES Y SÍMBOLOS

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Con frecuencia no somos conscientes de este paralelismo. Mercè Izquierdo (2005) lo pone en evidencia cuando recuerda las palabras que Lavoisier pronuncia en su Discours Préliminaire del Traite de Chimie en 1789: La imposibilidad de aislar la nomenclatura de la ciencia y la ciencia de la nomenclatura, se debe a que toda ciencia física se forma necesariamente de tres cosas: la serie de hechos que constituye la ciencia, las ideas que los evocan y las palabras que los expresan. La palabra debe originar la idea, ésta debe pintar el hecho: he aquí tres huellas del mismo cuño. Y como las palabras son las que conservan y transmiten las ideas, resulta que no se puede perfeccionar la lengua sin perfeccionar la ciencia, ni la ciencia sin la lengua; y por muy ciertos que fuesen los hechos, por muy justas que fuesen las ideas que originasen, sólo transmitirían imprecisiones falsas si careciéramos de expresiones exactas para nombrarlas (...). (Lavoisier,1864)

El proceso de creación de nuevos términos se realiza mediante el préstamo de palabras de lenguaje cotidiano, a las que se atribuye un nuevo significado, o mediante la formación de neologismos, que pueden ser préstamos o calcos de otras lenguas (clásicas o contemporáneas) (Riera, 1998). Además de los términos, la ciencia utiliza un lenguaje simbólico por medio del cual representamos las magnitudes y las unidades en las que las medimos; ecuaciones físicas, que expresan relaciones entre estas magnitudes; símbolos, fórmulas y ecuaciones químicas; y símbolos para representar elementos de un circuito o advertencias de riesgo o de seguridad de los productos químicos. Por último, la ciencia utiliza un lenguaje gráfico cuando se sirve de dibujos y esquemas que expresan particularidades de los modelos teóricos; y de diagramas de flujo que representan procedimientos químicos o procesos industriales, etc. Más recientemente usa de simulaciones informáticas para representar y modelizar procesos físicos y químicos. En las últimas décadas, la terminología científica ha adquirido un creciente interés por la gran cantidad de vocablos nuevos que se han tenido que crear debido al vertiginoso avance de las ciencias, la tecnología y la técnica, pero también por la importancia que el lenguaje tiene en la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias. Actualmente, el lenguaje no sólo se considera un medio de comunicación, sino que es valorado como un elemento fundamental en la construcción de conocimiento y en la evaluación de competencias científicas. Por ello, se debe insistir en la necesidad de evitar el uso incorrecto o descuidado de la terminología y el lenguaje científicos, ya que de lo contrario, se seguirá induciendo la formación de concepciones alternativas que dificultan el aprendizaje de los conceptos científicos.

Origen de las dificultades en el uso de los términos científicos Las dificultades en el uso de la terminología y el lenguaje científicos pueden tener diversas causas. Caamaño (1998a) menciona las siguientes:

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• La coincidencia de determinados términos en el lenguaje general y en el científico. • El uso del lenguaje como una forma de etiquetaje para transmitir conocimiento, en lugar de entenderlo como un sistema interpretativo, utilizado para generar nueva comprensión de los hechos (Sutton, 1997). • La existencia de términos polisémicos, como por ejemplo, «elemento» y «modelo». • La utilización de diferentes términos para designar un mismo concepto (sinonimia) como, por ejemplo, diferencia de potencial eléctrico, voltaje y tensión eléctrica. • La evolución del significado de determinados términos a lo largo de la historia. • Los diferentes significados que adquiere un término a lo largo del currículo escolar, como consecuencia del cambio del modelo teórico; por ejemplo, los conceptos ácido y base, o el vocablo «átomo». • El mantenimiento por tradición de términos de significado equívoco, como el de peso atómico, calor específico, fuerza electromotriz o sustancia covalente.

Coincidencias entre el lenguaje común y el científico Al analizar la historia de la ciencia y los diversos estudios sobre nomenclatura, se observa que, con frecuencia, se usan vocablos del lenguaje común, pero con un sentido diferente, para dar nombre a conceptos nuevos. Tal es el caso de los conceptos de trabajo, energía, célula, estructura, elemento, flujo y corriente, que usamos en física, química y biología. Esta coincidencia es reconocida en la investigación en didáctica de las Ciencias, como una de las fuentes importantes de generación de concepciones alternativas en el aprendizaje de conceptos científicos.

El lenguaje como sistema de etiquetaje frente al lenguaje como fuente de interpretación de los hechos Según Sutton (1997), el lenguaje de un científico en el inicio del desarrollo de una teoría es siempre personal y tiene un carácter, marcadamente, metafórico y especulativo. Así por ejemplo, Boyle, para explicar la compresibilidad del aire y el aumento de presión que se produce al comprimirlo, habla del «rebote» («elasticidad») del aire, y lo explica al suponer que el aire está formado por pequeñas partículas elásticas, como resortes enrollados de un reloj, que intentan abrirse... Muchas veces las explicaciones científicas nuevas implican redescripciones de los fenómenos en estudio, mediante el uso de un lenguaje importado de otras áreas. De este modo se habla de cargas que «fluyen» en un conductor metálico; de la «resistencia» eléctrica al paso de la corriente; de la «tensión» eléctrica entre dos puntos de un circuito; de la «tensión» superficial; del «campo» magnético alrededor de un imán; de la «capacidad» calorífica de una sustancia; de la «capacidad» eléctrica de un conductor, etc. Es preciso que esta redescripción metafórica no sea escondida a los estudiantes, y se evite el uso del lenguaje como un simple sistema de etiquetaje de conceptos. En otras ocasiones los científicos han recurrido a la creación de neologismos a partir de las lenguas clásicas. Así, por ejemplo, Faraday propone los nuevos términos «electrólisis»,


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«electrólito», «ion», «catión» o «anión», para describir y explicar el fenómeno de la conductividad eléctrica de una sustancia fundida o en disolución y su descomposición. El término «electrólisis» está compuesto por el sufijo «lisis», que significa «rotura» y el prefijo «electro» (electricidad), y significa, por tanto: descomposición de una sustancia por el paso de la electricidad . El origen etimológico de estos vocablos no debe, tampoco, ser escondido a los estudiantes, ya que conocerlo enriquece su significado y permite relacionarlo con otros términos en los que también aparece el mismo sufijo (por ejemplo, «termólisis» o «fotólisis»).

Polisemia Algunas veces la dificultad radica en que se denomina con un mismo término (polisemia) conceptos que corresponden a niveles estructurales diferentes. Así pasa, por ejemplo, con «elemento químico» que, según el contexto, se utiliza como sinónimo de «sustancia simple» o «sustancia elemental» (nivel macroscópico) o como conjunto de átomos o iones del mismo número atómico que forman parte de una sustancia o una disolución (nivel submicroscópico o nanoscópico). Así se dice que el azufre sólido es un «elemento», para indicar que es una «sustancia simple», o se habla del elemento azufre de la tabla periódica, para referirse al átomo de azufre. Cuando se dice que el agua está formada por los elementos hidrógeno y oxígeno, se entiende que estos elementos son los átomos de hidrógeno y de oxígeno que forman las moléculas de agua, por lo que no se dice nada incorrecto; pero la comprensión de la frase podría ser equivoca, si un estudiante entendiera que los elementos hidrógeno y oxígeno son el hidrógeno gas y el oxígeno gas. Lo mismo ocurre cuando se dice que el sulfato de hierro contiene el elemento hierro, para indicar que contiene iones de hierro, pero no hierro metálico. Otro término polisémico, proveniente del campo de la epistemología científica y muy estudiado en los últimos años, es el de «modelo», que puede significar un modelo material hecho a escala, un modelo molecular, un modelo teórico, un modelo analógico, un modelo matemático, una ecuación, etc.

Sinonimia El uso de términos diferentes para referirnos a un mismo concepto (sinonimia) es común en el lenguaje científico y, con frecuencia, crea confusión terminológica en los alumnos si no se explica bien la equivalencia que guardan estos términos. Lo más adecuado es quizá comentar las diferentes denominaciones, pero escoger nada más una para referirse habitualmente a cada concepto. En el terreno de la electricidad, por ejemplo, conviven tres denominaciones para una magnitud fundamental: «diferencia de potencial eléctrico», «voltaje eléctrico» y «tensión eléctrica». El primero de ellos es el término más significativo desde el punto de vista conceptual; el segundo es un vocablo que proviene del nombre de la unidad; y el tercero, el más antiguo, es un término que fue tomado del lenguaje corriente (con claro sentido metafórico) y que se utiliza aún en el ámbito de la electrotecnia. En el campo de la química, se tiene el ejemplo

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de las diferentes denominaciones que se dan a las «disoluciones reguladoras del pH», que también se llaman «disoluciones amortiguadoras» y «disoluciones tampón». Por lo que se refiere a la denominación de las fuerzas intermoleculares hay un gran número de términos sinónimos; por ejemplo, se habla de «fuerzas intermoleculares» o «fuerzas de van der Waals»; de «fuerzas de dispersión», de «fuerzas de London» o de «fuerzas dipolo instantáneo-dipolo instantáneo inducido».

Términos cuyo significado ha evolucionado a lo largo de la historia El significado de los términos utilizados para designar conceptos científicos depende de la teoría o del marco conceptual en que éstos se desarrollan. Las teorías científicas cambian a lo largo del tiempo y con ellas el significado de los conceptos que engloban (García Belmar y Bertomeu, 1998). Uno de los ejemplos más representativos es la evolución que ha experimentado el concepto «calor» desde su concepción en el marco de la antigua teoría del calórico (siglo XVIII) –en la que se concebía el calor como un fluido sin peso que pasaba de los cuerpos fríos a los calientes–, hasta el significado que le asigna la teoría cinética de los gases, como la transferencia de energía cinética de las partículas que forman un sistema. Otras veces un término subsiste con un significado modificado en el lenguaje científico o incluso en el lenguaje corriente. Algunos términos científicos son, en este sentido, términos «fósiles» que provienen de antiguas teorías, hoy abandonadas. Por ejemplo, el «flujo calórico» y la «caloría» son términos relacionados con la teoría del calórico; el «fluido eléctrico», término técnico que se usa aún para designar la corriente eléctrica, proviene de una teoría que concebía la electricidad como un fluido. Los estudiantes deben ser conscientes de la evolución de estos términos y de su diferente significado según las teorías históricas en que se enmarcan.

Diferentes niveles de formulación de un concepto a lo largo del currículo escolar A través de los años de escolarización los conceptos se explican con niveles de formulación progresivamente más complejos. En general, en la asignatura de Química se pasa de visiones macroscópicas, ligadas a la percepción más inmediata, a visiones microscópicas, ligadas a las teorías atómico-moleculares. Por ejemplo, se pasa del concepto operacional de «ácido», relacionado con las propiedades observables de este tipo de sustancias, al de «ácido» como sustancia que posee una composición y estructura que le permite proporcionar iones hidró geno en disolución. Más adelante se introduce el concepto de ácido de Brönsted-Lowry y, finalmente, el de Lewis, con lo que el término adquiere, sucesivamente, significados diferentes. Este cambio de significado puede pasar desapercibido al estudiante, que puede a llegar a utilizar definiciones híbridas que utilizan términos procedentes de diferentes teorías (Caamaño, 2003).


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Mantenimiento por tradición de términos equívocos Algunos términos como, por ejemplo, el «peso atómico» de un elemento, el «calor específico» de una sustancia, o la «fuerza electromotriz» de un generador eléctrico, no son del todo adecuados y, sin embargo, la fuerza de su uso los ha mantenido hasta nuestros días. El «peso atómico» es una masa relativa y no un peso, por lo que no debiera seguir denominándose así, a pesar de que esta denominación sigue considerándose correcta según las normas de la IUPAC. La alternativa es denominarlo «masa atómica relativa» (símbolo, Ar). Lo mismo ocurre con el «peso molecular», que es mejor denominarlo «masa molecular relativa» (símbolo, Mr). El «calor específico» de una sustancia no es un término adecuado, puesto que induce a pensar que el calor es una propiedad de la sustancia, cuando es energía en tránsito. Por ello, actualmente se recomienda emplear el término «capacidad calorífica específica» y aun mejor, «capacidad térmica específica». Este cambio de denominación ayudará a modificar la idea de que el calor está contenido en la masa de un sistema y a destacar el hecho de que lo que posee un sistema es energía térmica y no calor . Por otro lado, el término «capacidad» da idea de la idoneidad de la sustancia para almacenar energía térmica en relación al incremento de temperatura que se produce. El adjetivo «específico» significa «por unidad de masa». El símbolo para la capacidad de una muestra de sustancia es C y para la capacidad calorífica específica, c, mientras que para la capacidad calorífica molar es C m. La «fuerza electromotriz» de un generador eléctrico no es, tampoco, un término muy adecuado, puesto que no es ninguna fuerza, como sugiere el nombre, sino la energía transferida por unidad de carga que el generador pone en circulación, sin embargo, de momento no se ha planteado su sustitución. La persistencia del uso de términos equívocos puede dar lugar a errores conceptuales en los estudiantes, por lo que debe ponerse gran cuidado en explicar su verdadero significado, y advertir a los alumnos de las posibles confusiones que esos nombres pueden provocar.

¿Cómo deben denominarse las magnitudes físico-químicas? La IUPAC y la IUPAP son los organismos encargados de revisar la terminología y gramática de las magnitudes físicas y químicas. Periódicamente publican las recomendaciones para la escritura correcta de nombres y símbolos científicos en fórmulas, ecuaciones, gráficas, tablas, etc. Si bien estas normas se han incorporado, paulatinamente, a los libros de texto y al lenguaje científico que se maneja en las aulas, aún queda mucho camino por recorrer para lograr una adecuada generalización. Por ello consideramos importante recordar estas recomendaciones, que han sido expuestas por Caamaño (1998b) y por Caamaño e Irazoque (2009) con algunas modificaciones correspondientes a normas aparecidas posteriormente (IUPAC, 2004).

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Sobre la cantidad de sustancia y el mol La cantidad de sustancia (n) es una magnitud proporcional al número (N) de entidades elementales especificadas de dicha sustancia. El factor de proporcionalidad es el inverso de la constante de Avogadro (NA o L), n = N / N A

En el Sistema Internacional (SI) de unidades, la unidad para la cantidad de sustancia es el mol. Su símbolo es mol. Es incorrecto referirse a la cantidad de sustancia como el «número de moles», puesto que se trata de una magnitud física y no de un número. Así, por ejemplo, podemos escribir: n(Na) = 0,1 mol

o

n = 0,1 mol Na

y decir que n(Na) es la cantidad de sodio (obsérvese la sustitución de «sustancia» por «sodio»). No sería del todo correcto referirnos a la «cantidad de átomos de sodio», ya que el nombre de la magnitud es cantidad de sustancia y no cantidad de partículas. Es incorrecto referirnos a n(Na) como el «número de moles» de átomos de sodio, de la misma manera que es incorrecto referirnos a m(Na) como el número de kilogramos de sodio. La razón es que n y m son los símbolos de magnitudes físicas y no de números. Las entidades elementales pueden ser átomos, moléculas, iones, radicales, electrones o un grupo de partículas en una fórmula o en una ecuación, y no tienen por qué ser partículas individuales físicamente reales. Por tanto, es esencial especificar el nombre o la fórmula de estas entidades para evitar ambigüedades. Por ejemplo: n = 1 mol de azufre (s) (incorrecto, por indeterminado) n = 1 mol de moléculas de azufre (incorrecto, por indeterminado) n = 1 mol de moléculas de octoazufre (correcto) n = 1 mol de moléculas S8(s) (correcto) n = 1 mol de S8(s) (correcto)

Si la cantidad de O2 es igual a 3 moles, n (O2) = 3 mol, entonces la cantidad de 1/2 O2 (o de medias moléculas de oxígeno) es igual a 6 moles, n (1/2 O2) = 6 mol. Así pues, n (1/2O2) = 2 n (O2). También son correctas cualquiera de las expresiones siguientes: n {O2 (g)} = 1 mol n {H2O (l)} = 1 mol

n (O2, g) = 1 mol n (H2O, l) = 1 mol

n = 1 mol O2 (g) n = 1 mol de H2O (l)


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Y análogamente: n (Fe, s)

n (NaCl, s)

n (Fe2+, ac)

n (NaCl, ac)

n (Na+, g)

n (1/2H2SO4, l)

n (e-)

n {H2 (g) + 1/2 O2 (g)  H2O (l)}

El símbolo del estado de agregación de las partículas es opcional, pero es recomendable indicarlo. De este modo podemos diferenciar el nivel nanoatómico del macroscópico. Por ejemplo, el símbolo Fe se utiliza a veces tanto para representar un átomo de hierro, como el hierro sólido. Al añadir el símbolo del estado de agregación, Fe (s), reducimos esta ambigüedad, ya que Fe representaría el átomo de hierro y Fe (s), el hierro sólido. Así, n (Fe, s) significa la cantidad de hierro sólido y 1 mol de Fe (s) significa 1 mol de átomos de Fe en estado sólido. La actual denominación «cantidad de sustancia» no es del todo adecuada cuando nos referimos, por ejemplo, a 2,0 moles de electrones, ya que no hay ninguna sustancia formada sólo por electrones. Una denominación como «cantidad de materia» podría resolver este problema, pero continuaría existiendo cuando nos referimos, por ejemplo, a 1 mol de fotones, que no son partículas materiales.

N A, un número que pasó a ser una constante

Al principio la, actualmente denominada, constante de Avogadro (NA) era una cifra que designaba el número de átomos o moléculas que había en un mol de cualquier sustancia. Sin embargo, al introducir la cantidad de sustancia como una magnitud física fundamental (dimensionalmente, independiente), NA (o L) dejó de ser un número y se convirtió en una constante física cuyas dimensiones son [cantidad de sustancia]-1: N A = 6,022 x1023 mol-1

Por tanto, no debe seguir empleándose el término «número de Avogadro», sino «constante de Avogadro». Su símbolo es NA o L. El símbolo NA procede de la antigua denominación «número de Avogadro», mientras que L es un símbolo en honor del físico Josef Loschmidt, que fue el primero en determinar el número de moléculas que había en 1 cm3 de un gas en condiciones normales, en el marco de la teoría cinético-molecular.

El Faraday, una unidad que pasó a ser una constante El término «Faraday» ya no debe usarse, dado que era el nombre de una antigua unidad de carga eléctrica equivalente a 96.500 C. Actualmente es una constante física cuyas dimensiones son [carga] [cantidad de sustancia]-1.

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La «constante de Faraday» es el cociente entre la carga eléctrica y la cantidad de electrones. F = Qe / ne

F = 9,65 x104 C mol-1

De acuerdo con esta definición la expresión «Se deposita 1 mol de átomos de Zn cuando circula una carga de 2 F » es incorrecta y debe expresarse como: «Se deposita 1 mol de átomos de Zn cuando circulan 2 x 9,65x104 C o cuando circulan 2 moles de electrones».

¿Qué quiere decir «específico»? El adjetivo «específico» significa «por unidad de masa». Por ejemplo, el volumen específico de una sustancia es su volumen dividido por su masa. Cuando una magnitud extensiva se representa por una letra mayúscula, la magnitud específica debe designarse con la letra minúscula correspondiente. Por ejemplo: volumen específico

v = V / m

capacidad calorífica específica

c = C / m

A la vista del significado actual del adjetivo «específico», no debe utilizarse como sinónimo de «característico». Por ejemplo, no debe hablarse de conductividad eléctrica específica para designar la conductividad eléctrica (κ) de una sustancia.

¿Qué quiere decir «molar»? El adjetivo «molar» significa «por unidad de cantidad de sustancia». Se designa con el subíndice m. Así, por ejemplo, el volumen molar es el volumen de una sustancia dividido por la cantidad de sustancia: V m = V / n

y la capacidad calorífica molar, C m = C / n

De acuerdo con esta notación, la ecuación de estado de un gas ideal debe escribirse: p V = n R T o bien p V m = R T

Del subíndice m puede prescindirse cuando en la unidad se especifica la dimensión [cantidad de sustancia]-1. Por ejemplo: �H° (H2O, l) = -286 kJ mol-1


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De lo que no debe prescindirse es de especificar mol-1 en la unidad correspondiente a la variación de una magnitud molar en una ecuación química, por el hecho de que ésta corresponda a más de 1 mol de producto. Por ejemplo, podemos escribir: H2 (g) + 1/2 O2 (g)  H2O (l)

�H° = -286 kJ mol-1

2 H2 (g) + O2 (g)  2 H2O (l)

�H° = -572 kJ mol-1

En el primer caso nos referimos a 1 mol de moles de H2O; en el segundo, a 1 mol de moles de 2H2O (l). Ahora bien, si lo que queremos es expresar la entalpía de formación del agua, ∆Hºf , utilizaremos la primera de las ecuaciones, es decir, nos referimos a 1 mol de dicha sustancia.

¿«Pesos atómicos» o «masas atómicas relativas»? El nombre de «peso atómico» proviene de la época en que no se podían determinar las masas atómicas más que con procedimientos que implicaban el acto de pesar. En 1961 cuando se introdujo una nueva escala de pesos atómicos basada en el isótopo 12C, la Comisión Internacional de Pesos Atómicos (ICAW) propuso cambiar el nombre de «peso atómico» por el de «masa atómica relativa», puesto que no se trataba de un peso. Sin embargo, la IUPAC no aceptó el cambio de nomenclatura por considerar que, al tratarse de una magnitud adimensional, era irrelevante usar uno u otro término, y en cambio, podía prestarse a confusión llamar del mismo modo a la masa atómica relativa de un átomo individual que a la masa atómica relativa media por átomo de la mezcla de isótopos que caracterizan un elemento («peso atómico»). Finalmente, la IUPAP y la IUPAC consintieron en cambiar el nombre de «peso atómico» por el de «masa atómica relativa». En la actualidad, se denomina «masa atómica relativa» (símbolo, Ar) a la masa relativa del átomo de un isótopo [por ejemplo, Ar (16O)], o a la masa atómica relativa media por átomo de la mezcla isotópica de un elemento [por ejemplo, Ar (O)]. A esta última, también, se le puede llamar «peso atómico». Ar (16O) = 15,995 Ar (O) = 15,999

masa atómica relativa del oxígeno 16

masa atómica relativa o peso atómico del oxígeno

La masa molecular relativa, o peso molecular, se designa con el símbolo Mr. Por ejemplo: Mr (O2 ) = 32,0

El símbolo Mr no está restringido a entidades que sean moléculas, sino que también sirve para designar la «masa fórmula relativa» (o masa relativa de la «unidad fórmula») de un compuesto con estructura gigante iónica o covalente. Por ejemplo: Mr (KCl) = 74,5 Mr (SiO2 ) = 60,1

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La masa atómica relativa o la masa molecular relativa no deben confundirse con la «masa molar» (símbolo M), que es la masa de 1 mol de átomos, de iones, de moléculas o de unidades fórmula, a pesar de que el valor numérico de la masa molar coincida con el valor numérico de la masa atómica o molecular relativa. Las dimensiones de la masa molar son: [masa] [cantidad de sustancia]-1. Por ejemplo: M (O) = 16,0 g mol-1

M (O 2 ) = 32,0 g mol-1

M (KCl) = 74,5 g mol-1

No deben utilizarse las antiguas expresiones de «átomo-gramo» o «molécula-gramo» para designar la masa de 1 mol de átomos o de 1 mol de moléculas. Tampoco debe confundirse Ar con la masa atómica o Mr con la masa molecular o la masa de una unidad fórmula (símbolo, m), que es la masa absoluta de un átomo, de una molécula o de una unidad fórmula y que, por tanto, tiene dimensiones de [masa]. m (partícula) = M / L

Por ejemplo: m (O) = 2,657 x 10-23 g

m (O2) = 5,314 x 10-23 g

La unidad de masa atómica (símbolo, u) se define:

1 u = 1/12 m (12C) =

1/12 M (12C)

= 1,66 x 10-27 g

L

La masa atómica del oxígeno expresada en unidades de masa atómica es: m (O) = 16,0 u

Y su masa molecular: m (O2) = 32,0 u

De acuerdo con lo expuesto es, totalmente, incorrecto decir que el peso atómico o masa atómica relativa del oxígeno es 16,0 u, aunque es frecuente verlo escrito en libros de texto. La unidad de masa atómica es una unidad de masa cuyo valor se puede expresar en gramos. La masa atómica relativa y la masa molecular relativa son magnitudes adimensionales que, por tanto, no pueden ser expresadas en u.


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«Equivalentes» y «magnitudes relacionadas», ¡descansen en paz! Los términos «equivalente» y magnitudes relacionadas («peso equivalente», «equivalentegramo» y «conductividad equivalente») son innecesarios y muchas veces ambiguos, por lo que se recomienda no usarlos más. Por ejemplo, el peso equivalente (o masa equivalente relativa) del permanganato de potasio se puede expresar como: Mr (1/5 KMnO4 ) en una reacción en medio ácido. Mr (1/3 KMnO4 ) en una reacción en disolución alcalina.

Así pues, en lugar de decir que el peso equivalente del ácido sulfúrico es 49, podemos escribir que la masa molecular relativa de 1/2 H2SO4 es: Mr (1/2 H2SO4 ) = 49

Y en lugar de decir que la masa equivalente-gramo del H2SO4 es 49 g, podemos decir que la masa molar de 1/2 H2SO4 es: M (1/2 H2SO4 ) = 49 g mol-1

Formas de expresar la composición de las disoluciones La composición de una disolución se puede expresar de diferentes maneras, tal como se muestra en el cuadro 1. Cuadro 1. Diferentes formas de expresar la composición de una disolución

FORMAS DE EXPRESAR LA COMPOSICIÓN DEFINICIÓN

SÍMBOLO

UNIDAD HABITUAL

Fracción en masa

Masa de un componente / Masa de disolución

w

1

Fracción en volumen

Volumen soluto / Volumen de disolución

Ø

1

Fracción molar

Cantidad de sustancia de un componente / Cantidad de sustancia de la disolución

x

1

Concentración en masa

Masa soluto / Volumen de disolución

ρ

g dm-3

Concentración en cantidad de sustancia Cantidad de soluto / Volumen de disolución

c

mol dm-3

Concentración de número de partículas Número de partículas / Volumen de disolución

C

dm-3

m, b

mol kg-3

Molalidad

Cantidad de soluto / Masa de disolvente

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Muchas veces se utiliza el término «concentración» para referirse a la composición de una disolución en general , pero hay que tener en cuenta que, de acuerdo con las recomendaciones de la IUPAC, este vocablo debe reservarse para la concentración en cantidad de sustancia (cantidad de soluto por unidad de volumen de disolución): c = n / V

donde n es la cantidad de soluto y V el volumen de la disolución. La unidad SI de concentración en cantidad de sustancia es el mol m-3, aunque el mol dm-3 es el submúltiplo más conveniente para el laboratorio. La concentración expresada en esta última unidad coincide con la forma de expresar la composición que ha venido llamándose «molaridad». La IUPAC recomendó abandonar este término, por ser un nombre para designar una magnitud expresada en una unidad determinada y prestarse a confusión con «molalidad». Del mismo modo, consideró que era preferible no utilizar la abreviatura 0,1 M (0,1 molar) para indicar una concentración de 0,1 mol dm-3 (o 0,1 mol L-1 o 0,1 mol l-1), dado que el símbolo M significa 106 y la palabra «molar» debe reservarse para indicar dividido por cantidad de sustancia. Aunque el término «molaridad» y el símbolo M se siguen utilizando en el contexto práctico de los laboratorios de análisis, por lo que se refiere al trabajo científico y a su uso en las aulas sería preferible utilizar la nomenclatura recomendada inicialmente por la IUPAC, aunque los estudiantes deban conocer también la correspondiente a la «molaridad». La «normalidad» se definía como los equivalentes de soluto por unidad de volumen de disolución. Como consecuencia de lo dicho anteriormente sobre los equivalentes, la normalidad es una forma de expresar la composición de una disolución que debe ser abandonada. La concentración en masa, ρ, se define como: ρ = m / V

donde m es la masa de soluto y V el volumen de la disolución. Se mide habitualmente en g dm-3 o g L-1. La concentración en número de entidades se define como C = N / V y se mide en m-3 o dm-3. Si las entidades son moléculas esta concentración se puede denominar «concentración en número de moléculas». La molalidad es la cantidad de soluto B por unidad de masa de disolvente A (mB = nB / mA). Su unidad usual es mol kg-1. No debe, sin embargo, utilizarse la abreviatura 0,1 m (0,1 molal)


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para indicar una disolución 0,1 mol kg-1. El término molal tampoco está reconocido como unidad SI. Puesto que el mismo símbolo m sirve para designar la molalidad y la masa, se puede utilizar el símbolo b para indicar la molalidad. La fracción en masa w se define como: w i = mi / Σmi

donde mi es la masa del componente i y ∑mi la masa total de la disolución. La fracción en volumen Ø se define como: Ø i = V i / ΣV i

donde V i es el volumen del componente i antes de la disolución y ∑V i la suma de los volúmenes de todos los componentes antes de la disolución. La fracción molar x se define como: x B = nB / Σni

donde nB es la cantidad del soluto B y ∑ni la suma de la cantidad de sustancia de todos los componentes de la disolución. La solubilidad de una sustancia se designa con la letra s. Puede expresarse como: s = c (disolución saturada)

o

s = ρ (disolución saturada)

A veces se expresa como masa de soluto en 100 g de disolvente, aunque esta forma de expresar la solubilidad no coincide con ninguna de las formas de reflejar la composición descritas en la tabla anterior.

Un mismo criterio para los signos del «calor» y el «trabajo» La IUPAC recomienda adoptar el mismo criterio para asignar el signo al «trabajo» y al «calor». El calor q (que también se puede designar Q) y el trabajo w se consideran positivos cuando aumentan la energía interna U del sistema; y negativos, en caso contrario. Con este convenio el primer principio de la termodinámica se escribe: q + w = ∆U

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y la relación entre el máximo trabajo útil que puede realizar un sistema a p y T constantes y la variación de energía de Gibbs (G) es: (w útil máximo) p,T = �Gp,T

«Entalpía reticular» y «entalpía de enlace» El signo de magnitudes como la «energía reticular» o la «energía de enlace» puede presentar dificultades si no se especifica, claramente, la definición de estas magnitudes. Generalmente, la primera se define como la energía desprendida en la formación de una unidad fórmula de un cristal iónico a partir de sus iones en estado gaseoso; en cambio, la energía de enlace, aunque se puede definir como la energía desprendida al formarse un enlace («energía de formación del enlace»), se define frecuentemente como la energía necesaria para romper un enlace («energía de disociación del enlace»). Por otro lado, muchas veces se denomina «energía reticular» o «energía de enlace» y, en cambio, lo que se tabula es la «entalpía». Para evitar ambigüedades se aconseja definir el proceso mediante una ecuación y tabular como propiedad el ∆Hm del proceso descrito. Por ejemplo: ∆H ret,m (MX) = ∆H m {M+ (g) + X- (g)  MX (s)} ∆H f,m (C-C) = 1/4 ∆ H m {(C (g) + 4 H (g)  CH4 (g)} ∆H d,m (C-C) = 1/4 ∆ H at,m {CH4 (g)  (C (g) + 4 H (g)}

entalpía reticular (negativa)

entalpía de formación del enlace (negativa) entalpía de disociación del enlace (positiva)

donde ∆Hat,m es la entalpía molar de atomización del CH4 (g). Así pues, la entalpía del enlace se puede definir como entalpía molar de formación del enlace, ∆Hf,m (C-C) o como entalpía molar de disociación del enlace, ∆Hd,m. El subíndice m se puede eliminar si se expresan las unidades, kJ mol-1.

Implicaciones didácticas El uso adecuado del lenguaje y la terminología de una ciencia forma parte de la enseñanza de la misma, por ello es muy importante atender estos aspectos. Algunas sugerencias al respecto son: • Justificar etimológicamente los términos que se introducen por primera vez. • Resaltar las diferencias entre el significado común y el científico de los términos que se han tomado del lenguaje general. • Analizar con los alumnos la evolución histórica de los conceptos científicos y de los términos usados para designarlos. • Promover el uso del Sistema Internacional de unidades y las recomendaciones de la IUPAC y de la IUPAP para la denominación de las magnitudes físico-químicas y de sus unidades.


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• Ser exigentes con los alumnos en el uso de los términos y símbolos adecuados. En particular, es importante que en los problemas de Química que implican cálculos, los estudiantes usen símbolos para designar las magnitudes que calculan y para escribir las ecuaciones que permiten calcular las magnitudes, del mismo modo que lo hacen en la resolución de problemas de Física. • El lenguaje de la química tiene asociada, además, una terminología específica, relacionada con la nomenclatura de gran cantidad de sustancias diferentes, por lo que es importante estar atentos a las publicaciones periódicas de la IUPAC sobre las normas de formulación y nomenclatura de las especies químicas (Casassas, 1998; IUPACa; IUPACb).

ACTIVIDAD Te proponemos lo siguiente: • Explica el significado de cada una de las expresiones que aparecen a continuación. • Indica cuáles son correctas, cuáles incorrectas y corrige estas últimas. • Justifica tu respuesta. Magnitudes físicas

1. l = 10 m. 2. T = 273 ºK 3. V = 23 L Específico y molar

4. La capacidad calorífica específica del cobre es c. e. = 8,3 J g -1 ºC -1 5. k es la conductividad eléctrica específica 6. La capacidad calorífica molar de una sustancia es C m = 20 J mol -1 K -1 7. c es la concentración molar de una disolución 8. p V = R T Masa y cantidad de sustancia

9. m {O2(g)} = 40,1 g 10. n(Na) es el número de moles de sodio. 11. 1 mol de azufre Masas atómicas y moleculares; masas atómicas y moleculares relativas; masas molares

12. Ar (O) = 16 13. Ar (16O) = 15,995 14. El peso atómico del oxígeno es 16,0

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15. El peso atómico del 16O es 15,995 16. Ar (N) = 14 u 17. Mr (O2) = 32 18. Mr (KCl) = 74,55. La masa molecular relativa del KCl es 74,55 19. M (O) = 16 g. La masa molar del oxígeno atómico es 16 g 20. M (O 2) = 32 g mol -1 21. La velocidad cuadrática media de las moléculas de un gas es: v = (3 RT / M)1/2

donde M es la masa molecular del gas. Ecuaciones termoquímicas

22. H2 (g) + 1/2 O 2 (g)  H2O (l) 23. 2H2 (g) + O2(g)  2H2O (l)

∆Hº (298K) = -286 kJ mol -1 ∆Hº (298K) = -572 kJ mol -1

Números que son constantes físicas

24. El número de Avogadro es 6,022 x 10 23 25. El número de Avogadro es 6,022 x 10 23 mol -1 26. N A = 6,02 x 10 23 mol -1 Antiguas unidades que son constantes físicas

27. Un Faraday (F) son 96500 C Formas de expresar la composición de una disolución

28. La concentración en masa de una disolución es 10 g dm -3 29. La concentración en masa de una disolución es ρ = 10 g dm -3 30. La concentración molar de una disolución es 0,1 mol dm -3 31. La concentración en cantidad de sustancia de una disolución es 0,1 mol dm 32. Una disolución 0,1 molar 33. Una disolución 0,1 M 34. Una disolución 0,1 mol dm -3 35. Una disolución 0,1 mol L -1 36. c = 0,1 mol dm -3 37. La molalidad de una disolución es 0,50 m 38. Una disolución 0,50 molal 39. La molalidad m de una disolución es 0,50 mol kg -1 40. Se prepara una disolución 30,0% en masa 41. La fracción en masa del componente A de una disolución es w A = 0,30

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAAMAÑO, A. (1998a). Problemas en el aprendizaje de la terminología científica. Alambique. Didáctica de las ciencias experimentales, 17, 5-10. — (1998b). Nomenclatura, símbolos y escritura de las magnitudes fisicoquímicas. Alambique, 17, 47-57. — (2003). Modelos híbridos en la enseñanza y aprendizaje de la química. Alambique, 35, 70-81. CAAMAÑO, A. e IRAZOQUE, G. (2009). La enseñanza y el aprendizaje de la terminología química: magnitudes y símbolos. Educació Química EduQ, 3, 46-55. CASASSAS, E. (1998). La nomenclatura de las sustancias inorgánicas. Alambique, 17, 37-45. GARCÍA BELMAR, A. y BERTOMEU, J.R. (1998). Lenguaje, ciencia e historia: una introducción histórica a la terminología química. Alambique, 17, 20-36. IZQUIERDO, M. (2005). Hacia una teoría de los contenidos escolares. Enseñanza de las Ciencias, 23 (1), 111-122. LAVOISIER, A.L. (1864). Traité elementaire de Chimie. Discours preliminaire, en Oeuvres de Lavoisier (tomo 1, p. 2). París: Imprimerie Imperiale. Disponible en línea en: . LEMKE, J.L. (1997). Aprender a hablar ciencia. Lenguaje, aprendizaje y valores. Barcelona: Paidós. RIERA, C. (1998). Terminología científica. Generalidades e influencia del inglés. Alambique, 17, 11-19. SARDÁ, J.A. y SANMARTÍ, N. (2000). Enseñar a argumentar científicamente: un reto de las clases de ciencias. Enseñanza de las Ciencias, 18 (3), 405-422. SUTTON, C. (1997). Ideas sobre la ciencia e ideas sobre el lenguaje. Alambique, 12, 8-32. IUPAC (Unió Internacional de Química Pura i Aplicada) (2004). Magnituds, unitats i símbols en Química-Física. Versió catalana. Barcelona. Institut d’Estudis Catalans. Secció de Ciències i Tecnologia. Disponible en línea en: . IUPACa. Nomenclature Books Series. Disponible en línea en: . IUPACb. Chemistry International . Revista disponible en línea en: .

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9. EL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN EN EL BACHILLERATO Y EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN EN 4.º DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA


• Disposiciones y normativa oficiales • Motivos para incorporar una investigación, o su iniciación, en el currículo: concepto estricto de investigación • El proceso de investigación adaptado a la educación secundaria • Características de una investigación en la educación secundaria • Dificultades para el desarrollo en secundaria de una investigación en sentido estricto • Función del tutor • Recursos

Manel Belmonte

IES Narcís Monturiol. Barcelona Aunque una parte notable del profesorado de secundaria niega o, al menos, desconfía de que el alumnado sea capaz de desarrollar una investigación en el sentido estricto del término, el gobierno de la Generalitat de Catalunya, tanto desde el Departamento de Educación como desde el Consejo Interdepartamental de Investigación e Innovación Tecnológica (Premios CIRIT), ha apostado por iniciar a la juventud en la investigación desde la educación secundaria obligatoria (ESO). Aunque esta iniciativa es única en España a nivel gubernamental, algunas entidades, tanto públicas como privadas, también comparten este deseo de fomentar, tempranamente, el amor y el aprecio de la investigación entre la juventud y crear, así, un caldo de cultivo para futuros profesionales. La más veterana es pública: se trata del Congreso Jóvenes Investigadores (INJUVE), en Málaga, desde 1988.

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Entre las privadas, destacan: • Grupo de Innovación Educativa e Iniciación al Trabajo Científico en Enseñanzas Medias (Feria Reunión Científica de Enseñanzas Medias, en Extremadura, desde 1996). • Associació per Promoure la Recerca Jove (MAGMA, Feria Exporecerca Jove, en Barcelona, desde 2000). • Asociación de Profesores de Psicología de Cantabria (Congreso Jornadas Nacionales de Investigación en Psicología, en Santander, desde 2003). Asimismo, existen numerosos premios convocados por múltiples entidades entre las que predominan las universidades. Seguidamente se detalla la normativa oficial y la forma en que se ha de implementar en el aula la realización de un trabajo de investigación en educación secundaria.

Disposiciones y normativa oficiales En Cataluña, ya en el año 1998, se promulgó una Orden del 31 de julio que obligaba a desarrollar un trabajo de investigación en el bachillerato. Al derogarse la LOGSE y sustituirse por la Ley Orgánica de Educación (LOE), se mantuvo su obligatoriedad mediante el Decreto 142/2008 del 15 de julio (pp. 59047, 59060 y 59117 a 59119). En este documento se explicitan sus objetivos, las actividades que se deben desarrollar y la forma de ser evaluadas. Dichas actividades obligatorias son: • Realización de una investigación autorizada por un docente. El alumnado será informado sobre metodologías y técnicas de investigación: consulta bibliográfica, diseño de utillaje tanto experimental como de observación de campo, tratamiento de resultados, etc. • Elaboración de una memoria donde comunicará el planteamiento, el proceso de realización, los resultados alcanzados y las conclusiones. • Defensa oral ante un tribunal de la investigación realizada. Aunque la normativa no lo indica como obligatorio, una parte del profesorado tutor, considera conveniente la elaboración de un cuaderno de bitácora, o diario de trabajo, en el que se haga constar de forma breve, todas aquellas acciones, relacionadas con el proyecto, que se lleven a cabo. Se ha de destacar que el mero hecho de publicar estas disposiciones oficiales no dotó al profesorado de la capacitación necesaria para desarrollar con competencia la autorización de estos trabajos de investigación. Una parte de los profesionales se ha conformado con emplear aquello que el sentido común y su intuición le sugerían; otra, llevada por su inquietud educativa y por el deseo de realizar la tarea con la mayor profesionalidad, se formó en los cursillos realizados en el Instituto de Ciencia de Educación (ICE), el Centro de Recursos Pedagógicos (CRP), o participó en los asesoramientos celebrados en los centros a petición de un cierto número de docentes. A diferencia de la nueva asignatura de

EL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN EN EL BACHILLERATO Y EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN EN 4.º DE ESO

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4.º de educación secundaria obligatoria (ESO) que dispone de una hora lectiva semanal, el trabajo de investigación del bachillerato no goza del estatus de asignatura lectiva, por lo que su tutoría se realiza fuera del horario del alumnado. Al profesorado que supervisa un «mínimo» de proyectos –mínimo que depende de cada centro– se le descuenta una hora semanal de su horario lectivo.

Motivos para incorporar una investigación, o su iniciación, en el currículo: concepto estricto de investigación El esfuerzo que esta tarea exige, tanto del profesorado como del alumnado, no puede justificarse diciendo que aporta capacidades que, de una u otra manera, se desarrollan en asignaturas ya impartidas, como por ejemplo: • Aprender nuevos conocimientos. • Redactar un resumen del estado de la cuestión sobre un tema concreto. • Desarrollar un trabajo interdisciplinario. • Trabajar en equipo. Por tanto cabe preguntarse, ¿qué aporta una investigación a la formación personal o académica del alumnado? Quizá su principal contribución consista en experimentar personalmente el padecimiento y el gozo, la angustia y la satisfacción, y la emoción expectante que comporta investigar, es decir, crear. De forma muy breve, en sentido estricto, investigar consiste en una actividad humana mediante la cual se añade nuevo conocimiento, por pequeño que sea, al bagaje de la humanidad. Es decir, en esencia investigar consiste en interrogar de forma adecuada a la naturaleza, a la sociedad o a los archivos y hemerotecas para poder explicar aquello que aún no está explicado o no se conoce. Sólo se comprende la importancia de esta característica al observar cómo se ilumina la cara de un estudiante al constatar que su trabajo aporta un conocimiento que nunca se había obtenido anteriormente. Por ello no se puede confundir el hecho de investigar con otras actividades que, por muy nobles y respetables que sean, o bien ordenan un corpus de conocimiento ya existente, o bien añaden nuevas creaciones al patrimonio de la humanidad, pero no un nuevo conocimiento. El profesorado de secundaria frecuentemente confunde investigar con: • Efectuar una recopilación del conocimiento acumulado a lo largo del tiempo sobre un tema cualquiera. Esta actividad es muy loable, pero recibe un nombre diferente: «compendio» o «tratado». • Disertar sobre un tema concreto, comparar diversas alternativas, soluciones y opiniones, con o sin aportaciones personales, y obtener conclusiones que pueden ser o no novedosas. Esta creación, aunque tiene un gran mérito, no constituye una investigación y recibe el nombre de «ensayo» (científico, literario o histórico, según sea su temática). • Redactar una reelaboración de un escrito o de una obra de arte preexistente, de un hecho histórico o científico o de un invento tecnológico. En esta creación se otorga

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una nueva presentación o enfoque personal sin que se pierda de vista la obra original. Un ejemplo pueden ser las «variaciones musicales» sobre una obra de un compositor concreto. Aunque sea una verdadera creación, que puede mostrar la creatividad de una persona, no constituye una investigación y se conoce como «glosa». • Crear una nueva composición literaria, musical, pictórica, escultórica, arquitectónica... Estas actividades representan una de las características más definitorias de la naturaleza y del genio de la humanidad y tienen que recibir el mayor reconocimiento por parte del resto de los humanos. Pero no constituyen ninguna investigación. Reciben el nombre de «novela», «poesía», «paisaje», «retrato», «sinfonía», «escultura», «palacio», «catedral»... Son creaciones. Muy probablemente, algunas de ellas, en algún momento de su desarrollo, han exigido una cierta tarea de investigación, pero el resultado no se puede llamar investigación. Desarrollar una investigación implica: • Extrañarse ante un hecho, una situación observada en la naturaleza, en la sociedad, en una persona, etc. • Preguntarse sobre sus causas, factores que pueden influir y, a veces, sobre cómo controlarlos. • Elaborar un nuevo sistema, adecuado para encontrar respuestas, o bien modificar uno preexistente y adaptarlo a las necesidades del caso. • Llegar a unas conclusiones, es decir, a responder en parte o totalmente la pregunta efectuada inicialmente. • Hacer partícipe al resto de la sociedad del hallazgo realizado.

El proceso de investigación adaptado a la educación secundaria Al empezar una investigación, al alumnado se encuentra con la dificultad de definir el procedimiento, la mecánica, los pasos a seguir... De hecho, desconoce si existe una pauta que le ahorre la necesidad de inventar el esquema según el cual proceder. ¿Cómo desarrollar una investigación?, ésa es la pregunta que suele plantearse. Existe consenso sobre un procedimiento general adaptable a casi todas las situaciones. Habitualmente se conoce como metodología científica. Consiste en una manera de proceder que, a pesar de no ser de obligado cumplimiento, en la mayoría de los casos, ahorra trabajo, asegura unos buenos resultados y encamina de forma eficaz la actividad del investigador. Se estructura en una serie de etapas, donde se han de desarrollar distintas actividades. Dicha estructura es válida para el bachillerato, pero con pequeñas adaptaciones simplificadoras (sobre todo en la etapa de prospección del área problemática), también resulta aplicable a 4.º de la ESO.


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Planteamiento y prospección del problema

En la etapa de planteamiento se encuentra: • Existencia de una situación problemática o necesidad por cubrir. • Identificación y delimitación del problema o necesidad. • Primer borrador y determinación de los objetivos: ¿qué se busca? • Valoración del problema: posibilidad de realización (disponer de un tutor, tiempo y medios). • Determinación de su calidad científica. • Selección y concreción del tema a investigar. En la etapa de prospección se encuentra: • Revisión bibliográfica. • Base teórica (fundamentos). • Estado de la cuestión: si se encuentra un proyecto anterior idéntico se ha de descartar la investigación o reenfocarla. • Enunciado preciso del problema. Planificación previa o de preparación

En la etapa de planificación se encuentra: • Determinación del marco de trabajo (ámbitos temporal y geográfico, etc.). • Observación y descripción detallada del fenómeno o situación. • Determinación y fijación de los objetivos. • Identificación, selección, definición y categorización de variables. • Identificación, selección, definición y categorización de parámetros. • Emisión de hipótesis. Realización de predicciones. En la etapa de diseño de la investigación se encuentra: • Planificación (permisos, ubicación, temporalización, secuenciación, etc.). • Selección y diseño de instrumentos (aparatos, etogramas, rejillas, etc.). • Diseño del trabajo experimental, de campo o de consulta. • Cuestionar si la investigación resulta factible. De no ser así, se habría de remodelar el proceso anterior. Desarrollo de la investigación (experimental, de campo, documental)

Contempla la siguiente secuencia de tareas: • Realización de las experiencias, del trabajo de campo o de la consulta documental. • Recogida de datos. • Depuración de datos. • Cuestionamiento acerca de los datos; es decir, si son suficientes para contrastar la hipótesis. En caso contrario, se subsanan las deficiencias.

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Tratamiento de resultados, interpretación y conclusiones

En la etapa de tratamiento de resultados se encuentra: • Planificación del análisis de datos. • Procesamiento: manipulación y organización en tablas y gráficos. • Análisis de datos y búsqueda de tendencias, pautas o secuencias. En la etapa de reflexión sobre la investigación se encuentra: • Generalización: elaboración de leyes empíricas. • Determinación y explicación de su marco de referencia y limitaciones. • Cuestionamiento de la validación de la hipótesis. • Establecimiento de leyes de validación o falsación de las hipótesis o de los modelos. • Determinación de su aplicación e implicación en el conjunto de conocimientos previos. • Previsión de posibles perspectivas de las conclusiones alcanzadas. Comunicación de resultados

En esta etapa se intenta la difusión del trabajo en revistas, congresos, etc.

Características de una investigación en la educación secundaria La gran mayoría de los proyectos de secundaria que, en un sentido estricto, puede denominarse investigación y que, según un estudio de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), sólo es un 30% del total, exhibe las siguientes características, que son las deseables y alcanzables por un proyecto desarrollado en este marco de tiempo, edad y conocimientos: • La metodología empleada corresponde a los tipos: experimental, de campo (o cuasi experimental), proyecto tecnológico y documental. Cada una de las tres primeras opciones representa aproximadamente un 30% del total. En la actualidad, el peso del proyecto tecnológico manifiesta una tendencia al alza. • La elección de contenidos rehúye los grandes temas (los agujeros negros, el cáncer, etc.) que se han de reservar para los profesionales. Las materias de estos proyectos han de: - Permitir que el alumnado aporte algo nuevo de su propia cosecha y evitar que el traba jo se convierta en una mera recopilación y reorganización de la información existente. - Evitar que el alumnado necesite una gran masa de nueva información que le resulte imposible asimilar y que le hará dependiente del tutor en la toma de decisiones importantes, con lo que perderá parte de su autonomía en el proyecto. - Referirse a aspectos de la vida cotidiana del alumnado; replicar investigaciones de ámbito general en un marco local («mi ciudad», «mi colegio», etc.), o estudiar aspectos y problemas a los que ninguna entidad, pública o privada, destinaría recursos, debido a sus repercusiones económicas o sociales.


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Dificultades para el desarrollo en secundaria de una investigación en sentido estricto La realización de una investigación por el alumnado del bachillerato, y mucho más por el de 4.º de ESO, tropieza con múltiples dificultades. Sólo así se explica que en un 70% de las ocasiones el resultado devenga en un compendio de la información existente sobre un tema, adornado con un apéndice, normalmente denominado parte práctica, y que no es sino un ridículo remedo de investigación. Entre las dificultades nombradas cabe destacar las siguientes: • Percepción dual del alumnado del concepto de investigación. Por un lado, siente que es algo que sólo pueden desarrollar mentes privilegiadas, con el concurso de medios caros y sofisticados y con técnicas muy complicadas. Por otro lado, cuando el estudiante se ve abocado a realizar el trabajo pertinente, manifiesta otra visión, contradictoria con la anterior y que se traduce en un «recorta y pega» de Internet o de cualquier otra fuente. Es decir, el alumno confunde el hecho de investigar con la simple recopilación de información previamente elaborada y procedente de investi gaciones efectuadas por otras personas, y no enfoca su trabajo en obtener personalmente una respuesta. • Formación insuficiente del profesorado, que en su gran mayoría jamás ha llevado a cabo una investigación durante sus estudios universitarios. Por ello carece de los conocimientos y la experiencia necesarios para acompañar al alumnado en su camino. Como consecuencia de la carencia de conocimientos y recursos que exhibe el profesorado, las investigaciones suelen presentar deficiencias que deben evitarse. Entre éstas destacan: - La asignación del título. Frecuentemente, éste suele parecerse más a un reclamo publicitario (justificable en una novela que necesita despertar la curiosidad del público) que al de una comunicación científica. Al permitir este tipo de encabezamientos, se trasmite al alumnado una visión poco realista del trabajo científico. Y es que el objetivo de un título consiste en informar sobre lo fundamental del contenido y la finalidad de la investigación, no en provocar la curiosidad ni llamar la atención. La estructura general para titular una investigación ha de contener estos términos: «Estudio», «Investigación», «Análisis», «Determinación», «Elaboración... (de la correspondencia)», «Influencia», «Relación... (de variables independientes sobre variables dependientes)». Esta plantilla suele conducir a títulos extensos pero cuya lectura informa sobre el tema tratado. Constatada la dificultad que su redacción comporta, tanto para el profesorado como para el alumnado, en el cuadro 1 (en página siguiente) se relacionan algunos títulos que se han empleado.

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Cuadro 1. Ejemplos de temas y títulos de trabajos de investigación

CURSO

METODOLOGÍA

TÍTULO

ESO

Experimental

Estudio de la influencia de la forma de un recipiente de aluminio sobre el tiempo de congelación del agua. Estudio de la influencia de los materiales utilizados en la construcción de una zambomba sobre su sonido. Estudio de la influencia del tipo de manzana sobre la rapidez con que se oxida el corte de un trozo. Estudio de la influencia de la temperatura, de la cantidad de leche, y del material del recipiente en la velocidad de aparición de la nata. Estudio de la influencia de sustancias deshidratantes (talco, glicerina, papel secante, papel de diario, papel de cocina) en la velocidad de secado de una planta. Estudio de la influencia de la técnica utilizada para enfriar la sopa (soplar, remover, dejar caer líquido, esperar) sobre su velocidad de enfriamiento.

Mixta (experimental- Estudio de la influencia de diferentes tipos de champú de una de campo) misma marca sobre la flexibilidad, resistencia y aumento de longi-

tud al estirarse de la lana, hilo de seda y cabello sintético. Estudio de la influencia del color de la piel de las patatas en su sabor una vez cocinadas o fritas.

De campo

Estudio de la influencia del curso sobre el nivel sonoro del aula en un instituto. Estudio del pH del suelo según la profundidad, la humedad y la influencia del arbolado. Estudio de la influencia del sexo, la edad y el hecho de ser zurdo o diestro sobre la fuerza ejercida sobre el suelo al caminar. Estudio de la influencia de los estudios cursados, la edad y la profesión de los padres del alumnado de Horta-Guinardó sobre los errores científicos de física y química que profesan. Estudio de la permanencia temporal de los conceptos de Química y Física aprendidos en clase en el alumnado de ESO de un instituto.

Documental

Estudio y clasificación de los tipos de instrumentos científicos, dibujados o pintados, en los cuadros de los museos de Barcelona.

Proyecto tecnológico

Determinación de la cantidad mínima de agua necesaria para aclarar los platos. Diseño y confección de una botella de agua de 1,5 l que malgaste el mínimo de agua.


Bachillerato Experimental

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Estudio de la influencia del modelo de avión, del ángulo y velocidad de salida en el alcance del vuelo de un avión de papel. Estudio del rendimiento energético de un tirachinas en función del material elástico utilizado y del alargamiento efectuado.

Mixta (experimental-de campo)

Estudio de la influencia de la edad, el sexo y el color del cabello humano sobre su resistencia a la tracción. Estudio de la influencia de la utilización de la cafetera en la mejora de la calidad de las infusiones de té, tila o manzanilla.

De campo

Estudio de la influencia del aire acondicionado de El Corte Inglés en el microclima de la plaza Cataluña de Barcelona. Estudio del efecto de los excrementos de palomas en las piedras de los edificios monumentales de Barcelona. Estudio de las características físico-químicas del agua del río Oiartzun en función del punto de su curso y de la época del año.

Proyecto tecnológico

Estudio físico-químico para conseguir el procedimiento ideal para cocinar la mejor papa frita.

Mixta (documental- Estudio comparativo de la eficiencia de las máquinas originales inventadas por Otto von Guericke con la de las reconstruidas utiproyecto tecnolólizando materiales actuales. gico) Documental

Identificación, clasificación y valoración de la exactitud y propiedad de mención de los conceptos de física y química expuestos en el Quijote.

- El estado de la cuestión. Normalmente no se realiza. Aunque no es recomendable exigirlo al alumnado de ESO, el de bachillerato sí ha de comprobar que su proyecto es original. El objetivo no es pretender que nadie haya investigado nunca sobre el tema, sino que no exista un proyecto con un título igual (lo cual es, de hecho altamente improbable, porque diferirá en el ámbito de estudio, en el procedimiento empleado, o en alguna variable dependiente o independiente). Si se diera la casualidad de hallar un trabajo coincidente, bastaría con modificar alguno de los aspectos indicados para que el proyecto fuera original. Se ha de trasmitir al alumnado que, salvo raras ocasiones, no se puede aspirar a ser muy innovador y que basta con aportar algo nuevo aunque no sea muy relevante, pero sí realizado con rigor. Se ha de recordar que lo importante no es la meta sino el camino que se recorre. - El fundamento teórico. Éste es, junto con la titulación de los proyectos, uno de los errores más frecuentes. El alumnado, en muchos casos inducido por su tutor, considera que debe recopilar toda la información teórica (cuanta más, mejor) relacionada más o menos directamente con el tema en estudio y estructurarla en un compendio. En realidad, es más formativo exigir que únicamente mencione aquellos aspectos teóricos que necesita para diseñar su investigación y

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para comprender los resultados obtenidos. No precisa incluir una explicación o exposición de sus contenidos, sino una justificación razonada de cómo se relacionan con la investigación. De esta forma, se puede exigir una reducción de la extensión habitual (en torno a las veinte, cien o incluso más páginas) a dos folios como máximo. - El diseño de la experiencia. Éste suele carecer de la prueba testigo, adolecer de falta de control de las variables extrañas, o bien de un número suficiente de muestras y de repeticiones en las medidas para reducir el error experimental. - El tratamiento de resultados, donde las tablas, gráficas y gráficos se confeccionan sin criterio alguno y, mucho menos, se justifican o comentan. - La estructuración. Suele dejarse al azar de la redacción (frecuentemente reiterativa) y no se informa al alumnado sobre la estructura estándar ni sobre el contenido de cada uno de los apartados. La estructura indicada en el cuadro 1 (pp. 198-199) es la deseable y la que adoptan los proyectos que consisten en investigaciones reales. - El seguimiento. Para evitar que el alumnado realice el trabajo a última hora, sin disfrutar de él por el agobio de las prisas, se ha mostrado muy útil establecer unos plazos de entregas parciales. Lo que resulta más controlable y eficaz es que cada dos o tres semanas, durante la entrevista de seguimiento, se entreguen apartados concretos de la memoria; por ejemplo, cada uno de los señalados en la cuadro 1 (pp. 198-199). Este calendario puede ser impuesto por el tutor o pactado con el alumnado. Se aconseja calificar, únicamente, el hecho de efectuar la entrega (que ha de cumplir unos mínimos: extensión, presentación, adecuación a la normativa), pero no su contenido, que sí se evaluará. De este modo, el alumno que revise su labor a la luz de las sugerencias (que no correcciones) del profesor obligará a éste a calificar final y necesariamente bien la memoria, lo cual constituirá un éxito para ambos. - La comunicación a la sociedad . Normalmente tampoco se realiza, con lo que se escamotea al alumnado lo que más gratifica a los profesionales y por lo que aceptan abonar cantidades no pequeñas si con ello consiguen publicar o presentar una comunicación en algún congreso. En realidad, una investigación no comunicada, «no existe». En la inmensa mayoría de las ocasiones, lo que más se acerca a una comunicación es la defensa que el estudiante ha de efectuar ante el tribunal evaluador. No se suele animar al alumnado a que presente sus resultados en ferias, congresos o en premios que se celebran en España y en el extranjero.1 • Desconfianza, cuando no incredulidad y rechazo por parte del profesorado, de la posibilidad de que el alumnado sea capaz de desarrollar una investigación en su sentido estricto. En contra de esta idea se pueden documentar más de 2.000 ejemplos, correspondientes tanto al bachillerato como a la ESO, entre los que se 1. Para informarse sobre las numerosísimas convocatorias, se recomienda consultar la página: www.magmarecerca.org , muy completa, o la del xtec, que se limita a convocatorias de premios: www.edu365.cat/batxillerat/premis.htm


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encuentran al menos cuatro patentes obtenidas por personas entre 13 y 17 años. Igualmente se puede aducir el hecho de que revistas normalmente reservadas a profesionales (como Perspectiva Escolar ) hayan publicado artículos de investigaciones realizadas por estudiantes de secundaria (unos pocos seleccionados se relacionan en el cuadro 1). • Exceso de protagonismo del tutor . Como consecuencia de la desconfianza antes mencionada, el profesorado asume responsabilidades que competen al autor de la investigación: el alumnado.

Función del tutor Alguna de las dificultades que obstaculizan el desarrollo de una investigación en la educación secundaria radica en pensar que cualquier profesor puede ejercer de tutor. De la misma manera que cualquier persona, sin formación previa, no puede impartir clases de una asignatura concreta, tampoco cualquier profesor puede acompañar el desarrollo de un trabajo de investigación. Por una parte, debe exhibir un perfil mínimo y, por otra, no sólo ha de conocer un material para la evaluación formativa del alumnado, sino también poseer experiencia en su utilización. La tarea del tutor se parece mucho a la de una comadrona: acompaña en el alumbramiento, pero no debe parir a la criatura. La investigación es «hija» de otra persona y resulta fundamental que ésta perciba que la criatura es fruto suyo (una madre que tiene en brazos a su bebé lo considera totalmente hijo suyo, por mucho que reconozca y agradezca la ayuda de la comadrona). El tutor tiene que escoger, por tanto, entre: • Enseñar al alumnado en qué consiste el proceso de una investigación, y que éste lo conozca y lo aprenda. • Formar al alumnado como investigador, y que éste lo experimente, lo sufra y lo disfrute, convirtiéndolo en una vivencia personal. • Mezclar las opciones anteriores con un mayor o menor grado de incidencia de cada una de ellas. Aunque el tutor conozca la solución a los problemas surgidos, es importante que no la proporcione a la persona investigadora. Se recomienda paciencia para permitir que el alumno encuentre la solución, aunque sea bajo su guía y consejo. En este aspecto, la tarea del tutor consiste en: • Comentar –no corregir o subsanar– las propuestas de la persona investigadora. • Guiar al alumnado hasta que perciba sus carencias o errores. • Animar al estudiante a reelaborar el material mejorable y a presentar la nueva versión para comentarla nuevamente.

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Se ha de tener presente que sustituir la tarea personal del estudiante es sinónimo de usurpar su autoría y escamotearle una experiencia personal única. Se ha de recordar que la competencia del tutor la determina: • Su conocimiento sobre las metodologías de la investigación y sobre los recursos necesarios. • Su capacidad para orientar al estudiante, de modo que éste optimice su esfuerzo y, sobre todo, obtenga satisfacción personal al aprovechar al máximo la «aventura científica» que supone una investigación.

Recursos El acompañamiento de una investigación, al ejercer de tutor, exige una serie de recursos de los que habitualmente no se dispone. Los textos de Belmonte (2002) (que en breve se reeditará ampliado y revisado) y de Blaxter, Hughes y Tight (2008) están muy enfocados a la investigación en secundaria. Los restantes (Bove y otros, 1998; Coromina, Casacuberta y Quintana, 2000; Mellado y otros, 2000; Ríos y otros, 2008) son más particulares, por lo que pueden ser menos útiles. También resultará muy práctico, para profesores y alumnos, consultar la página web que dentro de poco publicará el Departamento de Educación de la Generalitat de Catalunya, denominada La Recerca a Secundària, donde se podrá acceder a unos 250 documentos, que han sido contrastados con el alumnado durante diez años como mínimo.

ACTIVIDAD Como autoevaluación de los conceptos tratados en este capítulo, escoge uno de los temas de investigación de los enumerados a continuación: • Estudio de la influencia del tipo de papel sobre el tiempo que tarda en arder. • Estudio de la influencia de la viscosidad de seis líquidos diferentes en su velocidad de congelación. • Estudio de la influencia de la distancia y orientación en el ruido percibido en una casa próxima a una vía rápida. • Diseño de un mecanismo para generar electricidad, aprovechando las mareas. • Estudio de la influencia del color de la cáscara de un huevo y del tiempo de cocción sobre su dureza, una vez cocido y pelado. • Estudio de la influencia de la velocidad angular sobre el efecto adquirido por una pelota de ping-pong, dentro de la corriente de un fluido con velocidad constante. • Estudio de la influencia del tiempo y la temperatura en la cantidad de vitamina C existente en un zumo de naranja.


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Ubica el tema elegido en un curso determinado y desarrolla cada uno de los aspectos siguientes: • Metodología que se debe utilizar y diseño experimental o de campo. • Fundamentos teóricos. • Hipótesis. • Estado de la cuestión. • Variables y parámetros involucrados.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BELMONTE, M. (2002). Enseñar a investigar . Bilbao: Mensajero. BLAXTER, L., HUGHES, C. y TIGHT, M. (2008). Cómo se investiga. Barcelona: Graó. BOVE, R., y otros (1998). Petites investigacions. Barcelona: Casals. COROMINA, E., CASACUBERTA, X. y QUINTANA, D. (2000). El treball de recerca. Vic: Eumo. MELLADO, C., y otros (2000). Taller del mètode científic. Barcelona: Grupo Promotor Santillana. RÍOS, J., y otros (2008). El treball de recerca. Metodologia, recursos i propostes pràctiques per elaborar i presentar pas a pas una recerca. Barcelona: Associació de Mestres Rosa Sensat.

Normativa legal Decret 142/2008, de 15 de juliol, pel qual s’estableix l’ordenació dels ensenyaments del batxillerat. Diari Oficial de la Generalitat de Catalunya (29/07/2008), 5183, 59042-59401. También disponible en línea en: . Ley Orgánica 1/1990, de 3 de octubre, de Ordenación General del Sistema Educativo. Boletín Oficial del Estado (04/10/1990), 238, 28.927-28.942. También disponible en línea en: . Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación. Boletín Oficial del Estado (04/05/2006), 106, 17158-17207. También disponible en línea en: . Ordre de 31 de juliol de 1998, de desplegament de l’organització i I’avaluació dels ensenyaments de batxillerat. Diari Oficial de la Generalitat de Catalunya (02/09/1998), 2716. También disponible en línea en: .

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10. EL PRÁCTICUM EN EL AULA DE CIENCIAS FÍSICA Y QUÍMICA: ORIENTACIONES PARA EL DISEÑO, LA EXPERIMENTACIÓN Y LA EVALUACIÓN DE ACTIVIDADES


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El prácticum en la formación inicial del profesorado Los planes de prácticas Ejemplos de tareas para realizar en el prácticum Para terminar

Antonio de Pro

Universidad de Murcia

El prácticum en la formación inicial del profesorado En cualquier máster de tipo profesional, el prácticum es la asignatura que hace más visible las finalidades del mismo. Es una pieza fundamental en el «engranaje» de los estudios. Aunque dé la posibilidad de que el estudiante pueda aplicar algunos de los conocimientos trabajados en las otras materias, veremos que también aporta aprendizajes que no podrían ser asimilados de otra manera. De hecho, tiene un perfil distinto: se realiza fuera del espac io físico de la universidad, participan profesionales de otros niveles educativos y se trabaja de forma diferente, etc. Las Prácticas de enseñanza (PdE) suponen una iniciación al conocimiento real de la profesión docente. Por supuesto, no pueden abarcar todas las necesidades, problemas y vicisitudes que tendrá un profesor a lo largo de su vida laboral. Tampoco deben concebirse como un «manual de respuestas» ante las situaciones del aula («si ocurre esto, hay que hacer...»; «si

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ocurre esto otro, entonces...») Resulta imposible prever todo lo que un profesor se puede encontrar y, mucho menos, tener soluciones universales para todas las ocasiones. Aprender la práctica educativa es un proceso que se realiza a lo largo de toda la vida. Por lo tanto, las PdE que se realizan en la formación inicial deberían ser diferentes de las que se efectúan en un máster para profesores en ejercicio. En las PdE deberás identificar y resolver problemas, buscar información, planificar actividades, elaborar materiales, dar clases... y, sin duda, es una oportunidad para probarse. Muchos se matriculan en el máster porque parece que es «lo que toca» o por «ocupar el tiempo, mientras encuentra trabajo». Es bastante habitual que no sepan «si ser profesor es lo suyo» y es, en este periodo, donde se dan cuenta si quieren o no continuar con la profesión docente. Como cualquier proceso de formación, se debe tener claro el tipo de profesional que se desea formar. Nosotros apostamos por un profesor que sea culto, reflexivo, crítico, con recursos, trasmisor de entusiasmo, sensible a los problemas próximos, creativo, ilusionado con su labor, predispuesto a colaborar, comunicador, dinamizador para el aprendizaje... Hasta ahora –con el curso de adaptación pedagógica (CAP)– la asignatura solía ser bien valorada, probablemente la más apreciada, como vimos en otros trabajos (Pro y otros, 2001; Pro, Valcárcel y Sánchez, 2005). No sabemos si la motivación que conlleva su proximidad al ejercicio profesional es la causa o la consecuencia de su buena valoración. En cualquier caso, deberíamos ser cautelosos porque no todas las apreciaciones «positivas» se referían a las mismas PdE. En el Máster de Secundaria, las PdE ocupan un lugar relevante, basta ver el número de créditos asignados. Compartimos su importancia porque, si las planteamos bien, pueden ser un referente trascendental en el desarrollo profesional de un profesor. Pero, para hacerlo correctamente, hay que tener en cuenta algunas consideraciones. Algunos piensan que el prácticum sólo consiste en «hacer cosas»: dar clases, ayudar, corregir actividades en la pizarra, entre otras. La acción es un elemento fundamental de la asignatura pero, al mismo nivel que ella, situaríamos el hecho de reflexionar sobre dicha acción. Precisamente, los trabajos escritos en esta materia se justifican porque pretenden ayudar a reflexionar sobre lo realizado. Cuando se habla de la memoria de prácticas como «algo diferente» a las propias prácticas, o alguien lo está planteando mal o no ha entendido la finalidad que éstas tienen. En este capítulo propondremos tareas que se podrían realizar durante las PdE, pero con un denominador común: que todas sean una prolongación de lo que se haga... Los hay que creen y actúan como si «la clase fuera suya» y la clase ni es del futuro profesor ni lo es de la universidad. La responsabilidad del aula es del profesor-tutor de educación se-

EL PRÁCTICUM EN EL AULA DE CIENCIAS (FÍSICA Y QUÍMICA): ORIENTACIONES PARA EL DISEÑO, LA EXPERIMENTACIÓN Y LA EVALUACIÓN DE ACTIVIDADES

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cundaria. Las PdE es un periodo de formación para aprender. La complejidad del aula exige conocer rutinas, observar lo que hace el responsable del aula, intercambiar ideas, planificar actuaciones, llevarlas a cabo, reflexionar sobre ellas, etc. El profesor-tutor debe orientar, dar información, asesorar, criticar, debatir con el futuro profesor antes y después de sus intervenciones. Pero, en ningún caso, su labor tutorial debe menoscabar su labor como docente. Por otro lado, nunca debe olvidarse que hemos implicado a «terceras personas» –el alumnado de educación secundaria– que se ven afectadas por nuestra iniciación al ejercicio profesional. Nadie puede garantizar que funcione todo lo que planifiques. Pero esos estudiantes se merecen que tú intentes hacerlo lo mejor que puedas y que sepas. El objetivo de las clases que impartas o de las tareas que realices no es «agradar» al profesor de la universidad. En el aula –con y sin ti– se debe intentar que el alumnado aprenda «con mayúsculas», bien los contenidos de la materia impartida o cualquier otro aspecto educativo que se considere. Algunos creen que una clase «bien dada» consiste en hacerlo con orden y disciplina, de acuerdo con un plan preestablecido, con un gran protagonismo por su parte y con unos medios sofisticados. Pero no debes olvidar que, si un adolescente «está callado», no quiere decir que esté comprendiendo lo que se le explica; que «algunos imprevistos» pueden ser más útiles que los «previstos» para el aprendizaje de los estudiantes; que la eficacia de una clase se mide por lo que aprende el alumnado y no por el «lucimiento del profesor»; y que la sofisticación de medios puede entretener sin enseñar. Es cierto que los hay, también, que se entristecen porque, después de invertir numerosas horas en planificar una actividad o a preparar una clase, no les salen las cosas como esperaban y experimentan cierta sensación de fracaso. Si enseñar fuera tan fácil, «se acertaría» con todos los estudiantes en un periodo relativamente corto de tiempo, y sabemos que no es así. Es absolutamente normal que un docente que está empezando tenga carencias y limitaciones; que, a pesar de su esfuerzo, el alumnado de educación secundaria no «se entusiasme»; que no controle el desarrollo o la duración de las actividades; que surjan situaciones que no tenga previstas, etc. No olvides: en el periodo de formación inicial, se aprende más de todo lo que «no sale bien» que de los éxitos. Como te habrán dicho en otras materias, se ha demostrado que el descubrimiento autónomo es poco rentable para el aprendizaje científico de un adolescente. Pues bien, tampoco lo es para el profesor que está empezando. Por ello, existe un plan de prácticas que permite «dirigir» al futuro profesor para que conozca al alumnado de educación secundaria, la dinámica de las aulas, las posibles actividades escolares y extraescolares, los recursos que puede utilizar, la estructura y el funcionamiento del centro, etc. Si las restantes materias están bien planteadas, tendrás que hacer actividades y tareas «conocidas». Hasta entonces las habrás trabajado de «forma teórica». Ahora se trata de verlas en la realidad.

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Hay universidades que dividen el periodo de las PdE en dos, para aprovechar mejor la realidad de las aulas y de los centros en las otras materias. Nos parece una buena idea porque esta asignatura es una fuente de hechos, experiencias y de oportunidades muy útiles para ser retomados o utilizados en los programas de las otras. El prácticum no puede ser «la única» materia en la que se aprenda a enseñar. En el cuadro 1 se recogen ideas para comprender nuestra visión de las PdE, qué elementos integra, qué debe saber y saber hacer el futuro profesor, etc. Cuadro 1. Las Prácticas de enseñanza Conocimientos cientí �cos

Experiencia como alumno

Concepciones educativas

Conocimientos psicopedagógicos

Conocimientos profesionales

Planteamientos ideológicos

Experiencia como profesor y tutor

Visión de las prácticas

Conocimientos de técnicas de tutorización

Programación y forma de trabajo

del

de los

Futuro profesor de ciencias

Profesores tutores se encuentran en las

Plan de prácticas

Prácticas de enseñanza

mediatiza las

mediatizan las

El aula y el centro

en las que debe

Informarse T omar datos y analizarlos

Hacer

Preguntar Identi�car problemas

Re�exionar

Elaborar materiales

Diseñar y valorar

Observar

Debatir Elaborar informes

En el periodo de PdE vas a poner en juego tus conocimientos, experiencias y creencias. Muchos son los interrogantes que deberíamos hacernos: ¿tienes la formación científica que precisan tus prácticas docentes?; ¿cómo se puede utilizar ésta en las aulas de educación secundaria?; ¿realmente te interesa la docencia en esta etapa educativa?; ¿qué cambiarías de tu experiencia como alumno? Las respuestas a estas cuestiones no son banales porque condicionan, en gran medida, tu labor como profesor. Vamos a verlo con un ejemplo. En el bloque 3 de la asignatura Ciencias para el mundo contemporáneo se trabajan los problemas derivados del uso de los recursos energéticos: ¿te han enseñado en tu facultad cómo es una central nuclear?; ¿qué emisión de CO2 tiene una central solar?; ¿cuánto ahorramos si usamos una lavadora de la clase A?; ¿qué repercusiones económicas y ambientales tendría la reducción de un 10% del consumo de gasolina al año?


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Preguntas semejantes podríamos hacernos sobre otros temas. A menudo se da por hecho que los conocimientos científicos del futuro profesor son suficientes para enseñar en educación secundaria. Pero ¿y si no lo son?, ¿cómo se puede enseñar lo que no se sabe? Debes hacerte a la idea de que, en las PdE, no sólo hay que «estudiar» conocimientos didácticos o «buscar ideas o ejemplos» para realizar algunas actividades; probablemente deberás estudiar contenidos científicos que no trabajaste en la universidad o que no te enseñaron para ser docente. Por último, queremos insistir en que las PdE no se plantean sólo para «observar» o «hacer». Son importantes otras acciones que se recogen en el cuadro 1 (en página anterior): informarse, reflexionar, recoger y analizar datos, valorar, elaborar informes, etc. Y, para ello, juegan un papel trascendental los planes de prácticas.

Los planes de prácticas En la didáctica de las Ciencias experimentales (DCE) se han hecho contribuciones muy interesantes sobre las PdE (Ballenilla, 2000; Mellado y González, 2000; Tejera, Elortegui y Fernández, 2000; Martín y Rivero, 2001; Martínez y otros, 2001; Sanmartí, 2001; Solí s, Luna y Rivero, 2002; Mellado, 2003; Solís, Porlán y Rivero, 2006; Monteiro, Carrillo y Aguaded, 2009). Nosotros también hemos realizado algunas (Pro, 1995; Pro y otros, 1995; Pro, Valcárcel y Sánchez, 2005). Este y todo el conocimiento generado en la investigación educativa deberíamos ser capaces de utilizarlo en nuestra materia. En la Orden ECI/3858/2007 se fijaban las competencias que los estudiantes debían adquirir en el Máster de Profesorado de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato. Si las analizamos, observamos que las PdE pueden contribuir al desarrollo de casi todas las que aparecen. Todo esto se concreta, aún más, en los descriptores del módulo: • Adquirir experiencia en la planificación, la docencia y la evaluación de las materias correspondientes a la especialización. • Acreditar un buen dominio de la expresión oral y escrita en la práctica docente. • Dominar las destrezas y habilidades sociales necesarias para fomentar un clima que facilite el aprendizaje y la convivencia. • Participar en las propuestas de mejora en los distintos ámbitos de actuación a partir de la reflexión basada en la práctica. Podrás apreciar que estas competencias exigen una conciliación entre saber, saber hacer, saber hacer con otros, saber hacer en el momento adecuado... entre el trabajo en el aula y fuera de ella, entre las competencias de esta asignatura y las alcanzadas en otras. Para hacer posible todo esto, se establecen los planes de prácticas. Estos son –o deben ser– el marco de referencia consensuado entre los profesores tutores (de la universidad y de la educación secundaria), para organizar y rentabilizar la formación inicial del futuro profesor.

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Sin embargo, hay una dificultad de partida: cada universidad tiene sus propios planes y, por tanto, resulta difícil encontrar pautas e ideas que valgan para todos. Nosotros creemos que la propuesta que aparece en el cuadro 2 podría cumplir con nuestros planteamientos, pero la razón de exponerlo no es tanto defenderlo como presentarlo para que tengas un referente –aunque sea esquemático– donde situar nuestras aportaciones posteriores. Cuadro 2. El plan de prácticas

PERIODO 1

PERIODO 2

Duración: 3 semanas. Duración: 5 semanas. Ubicación temporal: entre noviembre y diciembre. Ubicación temporal: entre abril y mayo. Finalidades

Finalidades

• Conocer el centro: profesorado, estructura, orga- • Colaborar con el profesor-tutor en tareas habituales. nización, funcionamiento, instalaciones, normas... • Planificar actividades puntuales (breves explicacio• Conocer los documentos académicos del centro nes, actividades prácticas, de laboratorio, salidas, y cómo se elaboran. Localizar los contenidos que uso de TIC, noticias de prensa, etc.), aplicarlas y rese trabajarán en cada periodo. Conocer los recurflexionar sobre ellas. sos didácticos existentes. • Diseñar una actuación autónoma (por ejemplo, una • Conocer las aulas del tutor. Observar la dinámica unidad o secuencia didáctica de cuatro a seis sesiones) de las clases, la organización, el ritmo... Analizar que incluya la identificación y análisis de contenidos, el los materiales curriculares utilizados. Conocer al análisis de problemas de enseñanza y aprendizaje de alumnado y explorar alguna de sus características los mismos, la selección de objetivos de aprendizaje y de forma sistemática. su contribución a la adquisición de competencias, los • Colaborar con el profesor-tutor en tareas habitua- principios metodológicos, la secuencia de actividades les (atención al alumnado, corrección de activi- y los criterios e instrumentos de evaluación. Aplicarla dades, resolver ejercicios...). y reflexionar sobre su puesta en práctica (viabilidad, logros, problemas, modificaciones...). • Asistir a las reuniones habituales de los centros (sesiones de evaluación, profesores del seminario, Consejo Escolar...). • Participar en la vida del centro; especialmente en las actividades extraescolares del área, sean o no del tutor del IES.

PERIODO 1

PERIODO 2

Seminarios

Seminarios

Seminario I (antes de iniciar las prácticas): Seminario III (antes de iniciar las prácticas 2.º periodo): • Comentar y precisar el plan de prácticas. • Comentar y precisar el plan de prácticas. • Orientar al alumnado en los trabajos por realizar. • Orientar al alumnado en los trabajos a realizar. • Comentar los criterios de evaluación. Seminario IV (una semana después): er Seminario II (después de las prácticas 1. periodo): • Intercambiar impresiones sobre este 2.º periodo. • Intercambiar impresiones sobre este 1.er periodo. • Presentar y debatir el diseño de actuación autónoma. • Poner en común los trabajos realizados. • Poner en común actividades de colaboración y Seminario V (después de las prácticas): reflexiones suscitadas. • Intercambiar impresiones sobre las PdE. • Valorar la experiencia y autoevaluarse. • Poner en común actividades de colaboración y actividades puntuales. • Poner en común la actuación autónoma. • Valorar la experiencia y autoevaluarse.


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Trabajos que entregar

Trabajos que entregar

• Observación del aula: guía y resultados. • Análisis de características del alumnado de educación secundaria. • Análisis de los materiales curriculares. • Descripción de actividades de colaboración realizadas y reflexión sobre las mismas.

• Descripción de actividades puntuales realizadas y reflexión sobre las mismas. • Presentación de la actuación autónoma. • Aplicación y evaluación de la actuación autónoma. • Valoración global de la experiencia.

Evaluación

El responsable de la calificación es el tutor de la universidad. Debe tener en cuenta: el informe del profesortutor (sobre la actividad desarrollada en el aula y el centro, la actitud, las capacidades profesionales, en qué destaca, en qué tiene dificultades...); los trabajos; aportaciones en seminarios y actuación en el aula.

En el cuadro anterior aparecen, escuetamente, los elementos que nos parecen más importantes del plan de prácticas: duración y ubicación temporal de los dos periodos, sus finalidades, los seminarios con un posible orden del día, los trabajos a realizar por el alumnado y los criterios de calificación. Los explicaremos y los justificaremos a lo largo de este apartado. Creemos que se debe fraccionar el periodo de prácticas asignado. Hay cosas –evidentemente no todas– que se pueden iniciar en las aulas o en los centros y que, posteriormente se pueden retomar en las diferentes asignaturas. El tener como referencia «algo vivido» puede ser más consistente que «algo relatado» y se debe dar la oportunidad de aprovecharlo. Teniendo en cuenta que hay un tiempo limitado para el prácticum, creemos que al futuro profesor se le debe asignar un centro (sólo uno) y dos tutores (un profesor del IES y uno del Departamento de DCE de la universidad); ambos deben ejercer sus funciones en los dos periodos. La «doble tutoría» tiene sus ventajas: incremento de la conexión teoría-práctica, mayor «cantidad» de ayuda, personalización del plan de prácticas... Pero también sus exigencias; entre ellas, la coordinación y la articulación de un discurso comprensivo –que, por lo menos, no sea contradictorio– para el tutorizado. Además de otras actuaciones, antes del comienzo de la experiencia deben realizarse unas sesiones de trabajo conjunto para favorecer que el futuro profesor no se encuentre desorientado o, lo que es peor, «en tierra de nadie». Aunque establezcamos dos periodos, pensamos que el proceso de inmersión en la práctica docente no debe ser discontinuo (percibirse como «dos prácticas»). Además tiene que adaptarse a las características individuales de los futuros profesores y a sus diferentes ritmos de aprendizaje (no todos deben hacer el mismo número de actividades ni del mismo tipo). Distinguimos entre actividades de colaboración (atender a un número reducido de alumnos, corregir una actividad, resolver un ejercicio en la pizarra...), puntuales (realizar una breve explicación, plantear una serie de problemas, realizar una experiencia de cátedra, dar una clase en el laboratorio o en la sala de informática, trabajar una noticia...), y de actuación

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autónoma (diseñar, aplicar y valorar una secuencia de actividades o una unidad didáctica no muy extensa). Lógicamente, el grado de dependencia del profesor del IES es mayor en las de colaboración y casi nula en las últimas.

Los seminarios son herramientas para sistematizar el asesoramiento y el seguimiento de los alumnos; además permite intercambiar ideas entre los futuros profesores a partir de sus trabajos y no como consecuencia de opiniones especulativas. Debe existir un contacto permanente entre los dos tutores; por ello, es conveniente que estén presentes y juntos en algún seminario (por ejemplo, el cuarto) y que el tutor de la universidad conozca la clase donde el futuro profesor realizará su actuación autónoma (si quiere ayudarle con «conocimiento de causa»). Por último, como hemos defendido, nuestro modelo de prácticas está muy alejado de la observación pasiva, de la imitación irreflexiva o del activismo desbocado. En ella juega un papel fundamental la reflexión en y sobre lo que haga el futuro profesor (Perenhaud, 2004a; 2004b). Por ello, resultan fundamentales los trabajos que realizar, su presentación y defensa o la memoria entregada al final del proceso; eso sí, deben plantearse como «algo del prácticum» no como «algo al margen del prácticum». En el resto del capítulo pondremos algunos ejemplos.

Ejemplos de tareas para realizar en el prácticum Ejemplo de trabajo de observación de clase Resulta esencial conocer la dinámica habitual de las clases donde vayas a realizar la labor de prácticas; entre otros motivos porque debes adaptarte a ella. Es indudable que la observación de lo que hace el tutor, las aclaraciones y justificaciones dadas por éste y, sobre todo, la reflexión permanente sobre lo que sucede permiten conocer la realidad del aula. No obstante, además de este conocimiento global, creemos que es importante que realices un análisis más «sistemático» de algunas acciones o tipos de actividad concretas. En este sentido, uno de los trabajos podría consistir en la elección de un tópico, el diseño de un protocolo de observación, la recogida de información en una o dos sesiones, el análisis de los resultados y el comentario de éstos con tu profesor-tutor. Si, por ejemplo, entre las posibilidades que ofrecen los trabajos prácticos (ver el primer volumen), se quiere observar una sesión de laboratorio –en la que el profesor plantea la actividad, facilita un guión para realizarla, el alumnado la desarrolla en grupo y contesta cuestiones sobre la misma– se podrían utilizar indicadores como los que aparecen en el ejemplo. Indicadores de observación de una actividad de laboratorio: aspectos por observar • Título de la práctica realizada: nombre, nivel, curso, asignatura. • Breve descripción del desarrollo de la actividad. • Objetivos que pretende de cara al aprendizaje del alumnado de educación secundaria según el profesor-tutor.


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• Ubicación en la secuencia de enseñanza (motivación, construcción, aplicación conocimientos...). • Material del laboratorio (necesidades de la actividad, dotación general, periodicidad de la utilización...). • Guión de laboratorio (elaboración propia, procedencia del libro de texto, de la empresa del material...); si no se usa guión (el alumnado debe buscar el procedimiento de resolución), indicarlo. • Papel del profesorado (explicaciones, orientaciones, asesoramiento al alumnado...). • Agrupamiento del alumnado (número de grupos, composición, elección de miembros, novedad de la tarea...). • Preguntas del alumnado durante la realización (problemas de comprensión lectora del guión, dudas sobre el procedimiento experimental, petición de ayuda...) y frecuencia de las mismas. • Descripción del ambiente de aprendizaje (implicación, eficacia de los grupos, ritmo de trabajo, interés, grado de autonomía del alumnado...). • Descripción de las exigencias del informe (tipo de preguntas, contenidos implicados, ubicación en el experimento, relación con las actividades anteriores y las siguientes...). • Otras observaciones.

Si se tratara de una actividad completamente diferente y con un mayor protagonismo del tutor –por ejemplo, una explicación de éste– podrían utilizarse los indicadores del ejemplo siguiente. Indicadores de observación de una explicación del profesor: aspectos por observar • Tema explicado: nombre, nivel, curso, asignatura. • Breve resumen de los contenidos explicados. • Objetivos que se pretenden de cara al aprendizaje del alumnado de educación secundaria según el profesor-tutor. • Ubicación en la secuencia de enseñanza (motivación, construcción, aplicación conocimientos...). • Material utilizado (TIC, objetos reales, experiencias de cátedra, experiencias ilustrativas...). • Contenidos de contexto (fenómenos o hechos de la vida cotidiana...). • Papel del profesorado (trasmisor información, animador al aprendizaje, claridad en la exposición...). • Interacción con el alumnado (preguntas planteadas a los estudiantes, participación...). • Preguntas del alumnado durante la explicación (de comprensión, curiosidad o interés por algo, preguntas «sin venir a cuento»...) y frecuencia de las mismas. • Descripción del ambiente de aprendizaje (interés por el tema, atención...). • Otras observaciones.

Estos protocolos de observación sólo son orientativos y pretenden ser una «excusa» para que converses «de forma ordenada» con tus compañeros sobre aspectos concretos de la práctica educativa. De esta forma, será más fácil realizar una reflexión compartida con el tutor.

Ejemplos de trabajos para conocer al alumnado El futuro profesor debe, obviamente, conocer a sus estudiantes –mediante el trato directo y diario con ellos, a través de sus trabajos y producciones, preguntando y comentando con el tutor sus características...–, ya que es el destinatario de nuestras propuestas de enseñanza. Además (no en lugar de) lo mencionado, creemos interesante plantear un trabajo sistemático para identificar

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sus conocimientos, creencias y experiencias sobre un tema concreto. Como se vio en los capítulos anteriores, hay multitud de trabajos que aportan estrategias o pruebas para recoger la información en este sentido. Vamos a poner unos ejemplos.

Identificación de las ideas del alumnado a partir de la visualización de una experiencia En primer lugar, hay que recordar que nuestro objetivo no es «pillar» al alumnado o «mostrar lo que no sabe». Todo lo contrario: pretendemos conocer qué sabe y, para hacerlo, debemos facilitar que responda a lo que le preguntemos; si no contesta a una pregunta, sabremos lo que no sabe, pero no lo que sabe, sea o no equivocado. El tipo de prueba exploratoria que proponemos tiene un formato coherente con lo que, para nosotros, son las ciencias y su enseñanza (utilización del conocimiento en situaciones reales o en la vida cotidiana). Consiste en que el futuro profesor realice una experiencia ante la clase y, una vez visualizada por todos, el alumnado de educación secundaria respomder una serie de preguntas sobre el hecho o fenómeno que ha observado. A continuación se presenta un ejemplo de este tipo de pruebas. Se puede llevar a clase un circuito simple con una bombilla y uno con dos bombillas en serie y decir: «Estad muy atentos. Todas las bombillas son iguales». Luego accionaría el interruptor del circuito simple. «¿Lo habéis visto? Lo hago otra vez... ». Por último, se repetiría la acción con el circuito en serie... Una vez realizado, se plantean determinadas preguntas (cuadro 3).

Cuadro 3. Ilustración del ejercicio y preguntas relacionadas B1

B2 Pila

Circuito 1

Pila

Circuito 2

CUESTIONES SOBRE LO QUE HAN VISTO 1. ¿Qué le ocurre a la bombilla del circuito uno cuando accionamos el interruptor? ¿Por qué crees que ocurre esto? 2. ¿Dónde se iluminan más las bombillas en el circuito uno o en el circuito dos?, ¿por qué? 3. En el circuito dos, ¿hay una bombilla que se ilumine más? 4. En el circuito dos, ¿hay una bombilla que se enciende antes? ¿Por qué crees que ocurre esto? 5. ¿Qué le pasaría a la bombilla B2 si apago (o aflojo) la B1? ¿Por qué crees que ocurre esto? 6. ¿Qué les pasaría a las bombillas B1 y B2 si les añado otra –una B3– a continuación? ¿Por qué? 7. ¿Qué circuitos eléctricos presentes en tu vida cotidiana están en serie?


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No pienses que las preguntas son las primeras que se nos han ocurrido. Puedes comprobar que tienen diferentes intenciones (o distintas exigencias): descripción de una observación (la primera), contraste de observaciones (la segunda), interpretación (cada vez que aparece un «por qué»), predicción («qué pasaría si...»), justificación de razonamientos, aplicaciones... Aparentemente, no presentan gran dificultad para ser contestadas (lo que no quiere decir que lo hagan de forma adecuada). Como hemos dicho, buscamos que el alumnado conteste porque las «respuestas en blanco» no nos dicen lo que sabe. Hemos utilizado otras actividades similares desde hace tiempo (García-Estañ y otros, 1988; Valcárcel y Sánchez, 1990) y nos aportan mucha información. Otra posibilidad es usar un cuestionario pero, sin olvidar, que debemos plantear situaciones en las que los alumnos utilicen sus conocimientos. Que recuerden una definición, o que respondan de forma «académica» sin saber lo que dicen, no es lo que buscamos.

Cuestionario sobre actitudes La importancia de la visión que tiene el alumnado sobre el trabajo de los científicos, la ciencia, o sobre el papel que ésta juega en la vida cotidiana se debe a que condiciona su aprendizaje (algunas reflexiones al respecto las trabajamos en el capítulo 1, «Naturaleza de la ciencia y construcción del conocimiento científico», de Rivero García y Wamba, en el volumen Física y Química. Complementos de formación disciplinar [Caamaño, 2011a]). Por ello, puede ser interesante conocer qué opinan los estudiantes al respecto. Hay muchos instrumentos en este campo. Nosotros sugerimos algunos ítems del «Proyecto PANA» (FECYT, 2005); se trata de una evaluación, a nivel estatal, de las actitudes de los niños y adolescentes que ofreció resultados muy interesantes. María y Carlos hablan sobre las ciencias y la tecnología MARÍA: —La mayoría de las cosas que hace la ciencia son negativas para la Humanidad. Los científicos han creado armas –bombas, misiles, tanques, etc.– para destruirnos. Y otras veces han inventado productos que son mortales para las personas CARLOS: —No estoy de acuerdo contigo. La ciencia ha hecho que mejoremos nuestra salud. ¿Es que los medicamentos o las vacunas no nos permiten estar más sanos y vivir más tiempo? Además, ¿quiénes crees que ha inventado aparatos como los microscopios, los rayos X o los termómetros que nos ayudan a diagnosticarnos y a curarnos? • ¿Con cuál de los dos estás de acuerdo y por qué?

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Un profesor pregunta a sus alumnos en clase: «¿pensáis, de verdad, que las ciencias son buenas para mejorar nuestra vida?» CARLOS: —Yo pienso que sí. Gracias a las ciencias, hacemos muchas cosas que nos gustan: oír música en la radio, ver películas en la tele, chatear con el ordenador, jugar con la consola... Podemos viajar a otros lugares porque hay unos medios de transporte que, sin las ciencias, no existirían... MARÍA: — Te veo muy optimista, Carlos. Yo creo que, cada vez somos más cómodos y más individualistas... Nos quedamos en nuestro cuarto con la tele y el vídeo, y no jugamos con los demás. Y de todo eso tiene l a culpa la ciencia. • ¿Con cuál estás de acuerdo y por qué?

Muchas veces encontramos noticias en los periódicos que hablan de consecuencias positivas de los descubrimientos científicos: «Se descubre un gasóleo que rinde más y contamina menos», «Se abre un parque eólico que permitirá dar electricidad limpia a todos los pueblos del entorno», «Una mujer consigue tener una hija tras una fecundación in vitro»...

Pero también encontramos otras que no son precisamente positivas. Así tenemos: «Las industrias petroquímicas producen una nube tóxica», «Los residuos que las fábricas vierten al Mediterráneo llegan a sus playas», «El agujero de la capa de ozono se triplica en menos de un año»... • ¿Crees que hay más noticias positivas o negativas? ¿Por qué crees que ocurre esto?

Como en el caso anterior, en lugar de plantear estas dicotomías, se puede utilizar un cuestionario más convencional. Eso sí, nos interesa conocer no sólo sus opiniones, sino sus justificaciones, por lo que deben ser preguntas abiertas aunque sean concretas.


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Ejemplo de trabajo para analizar materiales curriculares El material, por excelencia, que se utiliza en las clases de ciencias suele ser el libro de texto. Por ello, creemos conveniente realizar el análisis de algunos de los que utilicen en las diferentes clases donde el profesor tutor realice sus funciones. Queremos que te detengas en cuestiones que probablemente te hayan pasado desapercibidas, que adquieras una visión crítica ante el contenido de los libros y, lógicamente, que percibas el nivel con el que son tratados los conocimientos que más adelante deberás trabajar en el aula. Dado que no pretendemos un análisis exhaustivo, podrías centrarte en una sola unidad que vaya a abordarse durante las PdE (mejor la que vayas a impartir como actividad autónoma). Además, sabemos que la estructura de los temas suele ser la misma, por lo que no es necesario ampliar la base documental para tener una valoración aproximada del resto de los temas. Si tenemos presente nuestro trabajo sobre análisis de libros de texto (Pro, Sánchez y Valcárcel, 2008), podemos centrarnos en las características globales de la unidad, en el tipo de actividades planteadas, en la adecuación científica y didáctica de los contenidos conceptuales, en los procedimientos y actitudes presentes en las actividades y en el ajuste al currículo oficial...; también se podrían sustituir los procedimientos y las actitudes por la contribución a la adquisición de competencias. Como ejemplo, hemos recogido un posible planteamiento del trabajo de análisis para una unidad didáctica de un libro de texto. Protocolo de análisis de un libro de texto Elige una unidad de uno de los libros de texto que se utilizan en las clases de tu profesor-tutor. El objetivo de este trabajo es analizarla críticamente. Responde cada uno de los apartados siguientes: • Consideraciones globales: editorial, curso, título, estudio cuantitativo (número de páginas, peso relativo en el libro...), estructura (apartados generales, información complementaria...). • Tipo y número de actividades planteadas (iniciación, desarrollo, aplicación y evaluación); actividades de laboratorio. • Adecuación científica y didáctica. Busca los errores y «expresiones poco afortunadas» –a la vista de los obstáculos de aprendizaje del alumnado– de la lección que estamos analizando. • Contenidos procedimentales y actitudinales implicados. Ten en cuenta alguna taxonomía de estos contenidos (por ejemplo, Jiménez-Aleixandre y otros, 2003), indica las destrezas básicas, técnicas y comunicativas, así como las habilidades de investigación que se trabajan en las actividades planteadas. Luego, indica las actitudes hacia la ciencia, las actitudes científicas y las actitudes hacia la creación de hábitos saludables y desarrollo sostenible de estas mismas actividades. • Adecuación al currículo oficial. Toma el currículo oficial e identifica los contenidos que deberían contemplarse. Señala los presentes, los omitidos y los incorporados sin estar previstos. • Valora globalmente el texto a la vista del análisis realizado.

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Para ayudar a resolver el tercer punto, se podría facilitar un listado de las principales dificultades que tiene el alumnado de estas edades a partir de trabajos recopilatorios (Driver, Guesne y Tiberghiem, 1989; Pozo y Gómez Crespo, 1998; Jiménez-Aleixandre y otros, 2003, etc.). Así, por ejemplo, en relación con los circuitos eléctricos, les daríamos la información que se muestra en el ejmplo siguiente. Orientaciones para el estudio de la adecuación científica y didáctica En base a las aportaciones realizadas en la investigación en la didáctica de las Ciencias experimentales, los principales errores de los libros en este tema son: • El tratamiento de la carga eléctrica como partícula y no como propiedad de los cuerpos; no habría que hablar de cargas, sino de cuerpos o partículas cargadas. • El modelo de corriente eléctrica utilizado; en particular, si se usa el modelo hidrodinámico con lo que se refuerza la creencia de que es un «fluido que sale del generador». • La confusión entre resistencia (elemento) y resistencia (magnitud característica de un conductor lineal); o la consideración de la resistencia eléctrica como un «tipo de fuerza». • La utilización del concepto de energía como algo sustancial que se consume, se traslada, se almacena...; o el uso del modelo del calórico en la descripción o interpretación del efecto Joule.

Es evidente que si cambiamos de temática, habría que sustituir estos errores y denominaciones poco afortunadas por las que correspondan.

Ejemplo de ficha para describir y valorar las actividades realizadas Como hemos dicho, a lo largo del periodo de prácticas, debes realizar numerosas actividades, unas de apoyo al tutor (atender a los alumnos, corregir tareas...) y otras en las que tendrás un mayor protagonismo (explicar un contenido, plantear unos ejercicios, dirigir una actividad de laboratorio, realizar una experiencia de cátedra, trabajar una noticia de prensa...). En todas ellas, debemos hacer compatibles el hacer con la reflexión sobre lo hecho. A menudo hemos leído memorias de prácticas en las que han proliferado las descripciones, tan interminables como anodinas, de lo realizado por el futuro profesor. Lo preocupante es que, a pesar de la extensión, se solían quedar en un relato de sucesos, en los que parecía obligado trasmitir una cierta «euforia por el éxito» de la intervención o por «lo magnífica que había resultado la experiencia». No pretendemos ser aguafiestas pero creemos que es difícil acertar en todo, con todos y a pesar de todo. Una posible lectura del éxito es que el futuro profesor ha conseguido «a la primera» lo que el profesor-tutor y otros llevamos muchos años «buscando»: la clase perfecta. Pero otra –quizás, más ajustada a lo que realmente ha acontecido– es que falta reflexión sobre lo sucedido o simplemente que el aprendiz no se ha «enterado» de lo que ha pasado «delante de sus ojos». El modelo de ficha que sugerimos (cuadro 4, en página siguiente) pretende centrar la atención sobre aquellos aspectos que nos parecen más relevantes y útiles para un profesor en formación.


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Cuadro 4. Modelo de ficha para describir y valorar las actividades realizadas

NOMBRE DE LA ACTIVIDAD:

FECHA DE REALIZACIÓN:

Breve descripción (tipo de actividad, temática, nivel y curso, duración): • • Finalidad educativa de la actividad: • •

Contenidos por enseñar: • •

Papel del profesor: Papel del alumnado: • • • • Aportaciones personales (materiales elaborados, hojas de trabajo, selección del recurso...): • • Incidencias/modificaciones introducidas. Causas: • •

Preguntas planteadas por el alumnado en la actividad: • •

Aspectos positivos: • •

Aspectos negativos: • •

Valoración global: • •

Cambios posibles: • •

La descripción y valoración de lo realizado no es una «composición literaria», sino un documento que tiene otras funciones. Así, debe contemplar: qué se pretendía con la actividad realizada, qué trataba de enseñar, cuál era el papel del profesor y el del alumnado... Debe informar de su puesta en práctica: qué ha salido según lo previsto, qué se ha cambiado y por qué se hizo, qué preguntas han planteado los estudiantes... Y, con autocrítica, debe aportar resultados: qué han aprendido y qué no han aprendido los estudiantes, cómo han valorado la actividad, qué modificaciones introducirías... Como puede verse, el modelo de ficha que proponemos trata de que los esfuerzos se realicen en una dirección adecuada. Sin duda, se puede modificar (añadir, cambiar y sustituir indicadores) pero, ante todo, debe servir como llamada de atención de aquellos aspectos más relevantes y prioritarios que tienen estas actividades para los tutores, tanto el del centro de secundaria como el de la universidad. Especialmente importante para este último es el contenido, puesto que tiene menos información de lo que ha sucedido en el aula o en el centro.

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Ejemplo de un plan de actuación autónoma: elaboración y experimentación de una secuencia de enseñanza-aprendizaje En esta actividad se trata de que realices un plan de actuación para unas sesiones, elabores los materiales, los lleves al aula, valores la repercusión en el aprendizaje del alumnado de educación secundaria y reflexiones sobre la experiencia realizada. En el capítulo 3 sobre las secuencias para la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias del volumen Didáctica de la Física y la Química,1 tuvimos la ocasión de conocer y analizar algunas que respondían a diferentes modelos de planificación: reconstrucción educativa, demanda de aprendizaje, parrilla de modelización y estructuras didácticas. Nosotros, desde hace años, hemos usado el modelo de planificación de Sánchez y Valcárcel (1993). Con él hemos planificado gran parte de las unidades didácticas de Física y Quím ica que se trabajan en educación secundaria; por citar algunos ejemplos, el estudio de las disoluciones (Sánchez, Pro y Valcárcel, 1997), el de las ondas, luz y sonido (Saura y Pro, 2000) o más recientemente el de los problemas de los recursos energéticos (Pro, 2009). En relación con el trabajo que proponemos, nos interesan dos informaciones: la secuencia justificada de actividades (diseño) y los resultados obtenidos (aplicación y evaluación).

En relación con la fase de diseño Como dijimos, no podemos olvidar que las PdE –y, por extensión, esta actuación autónoma– tienen consecuencias en «terceras personas»: los alumnos de educación secundaria. Desde nuestra perspectiva, no podemos garantizar que lo que hagamos sea «lo m ejor» o que salga bien pero, desde luego, podemos intentar que lo que vayamos a llevar al aula esté pensado, trabajado, fundamentado... y que tenga en cuenta el conocimiento didáctico existente. Por ello, hemos incluido la defensa del proyecto de actuación autónoma en uno de los seminarios. Pero, además, creemos que el diseño de la propuesta que se va a ensayar –sea cual sea el modelo de planificación utilizado– debe reunir unas condiciones: que sea adecuada desde el punto de vista científico, que tenga en cuenta las dificultades u obstáculos de aprendizaje que ha detectado la investigación, que sea coherente con el currículo oficial (con los contenidos, los criterios de evaluación y la adquisición de las competencias básicas), que tenga una secuencia de actividades que responda a unos planteamientos metodológicos aceptables desde la DCE, y que tenga previsto unos instrumentos de evaluación como estrategia de mejora.

1. «Las secuencias didácticas en la enseñanza y aprendizaje de las ciencias: modelos para su diseño y validación», en el volumen Didáctica de la Física y la Química (Caamaño, 2011b).


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Es decir, no queremos que se plantee, sin más, una secuencia de actividades o que se adapten, sin grandes alardes, unos materiales elaborados por otros. Hay que justificar lo que se haga y hacerlo de forma explícita. Desde nuestra perspectiva habría que especificar y justificar: • El contenido científico seleccionado en el tema o en los problemas contextualizados objetos de estudio. • Los problemas que tiene la enseñanza y aprendizaje de los contenidos seleccionados para el alumnado de estas edades. • Los objetivos concretos de aprendizaje que se pretenden conseguir y su contribución a la adquisición de competencias. • La secuencia de actividades que se vaya a utilizar y su coherencia con los principios metodológicos de la DCE junto con sus intenciones educativas. • La estrategia de evaluación utilizada (momentos, instrumentos...). No creemos necesario usar un modelo más cerrado dadas las posibilidades que ofrece la actividad. Pero queremos insistir en que no se trata de un documento para responder a una «exigencia administrativa» –como ocurre con las programaciones de muchos centros– sino la plasmación por escrito de un proceso reflexivo, fundamentado y planificado.

En relación con la fase de aplicación y evaluación La puesta en práctica de la propuesta diseñada se puede plantear como una investigación en la acción. Es posible pasar unos cuestionarios antes y después de la misma para estudiar qué sabía inicialmente el alumnado y qué ha aprendido como consecuencia de nuestra intervención; para ello bastaría plantear dos pruebas con dificultades similares (pueden ayudarte los tutores). Pero, más importante que constatar que ha habido progresos en el conocimiento –que, sin duda, los habrá– es que busques información para estudiar los efectos de cada actividad diseñada. Para ello, necesitas realizar un seguimiento de la propuesta. Según los investigadores de DCE, se deben recoger los datos de la forma más próxima posible al proceso de construcción del conocimiento. Por lo tanto, hay que decidir: qué actividades se van a seguir, qué producciones del alumnado se van a analizar, qué datos se van a tomar en las actividades seleccionadas... Estas decisiones debes adoptarlas junto con los tutores pero, sin olvidar, que su objetivo es ofrecer datos al «autor» de la propuesta para ser crítico con ella. Pero, además de esta información que da el alumnado, creemos conveniente que lleves un diario de clase. Este instrumento tiene muchas posibilidades (puedes preguntarle a tus tutores cuál te recomiendan). No obstante, podemos sugerirte el que aparece en el cuadro 5 (en página siguiente).

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Cuadro 5. Algunos indicadores para describir y valorar las actividades realizadas

ASIGNATURA:

CURSO:

SESIÓN:

FECHA DE REALIZACIÓN:

Breve descripción de su desarrollo: Relación de actividades previstas para la sesión: • • Incidencias producidas durante la sesión: • • Preguntas planteadas por el alumnado: • • Aspectos positivos en el aprendizaje del alumnado: • • Actitud, interés, disposición... del alumnado: • • Aspectos positivos de tu actuación: • • Valoración global: • •

Relación de modificaciones; justificación: • • Motivos de las incidencias: • • Valoración del clima de clase: • • Aspectos negativos en el aprendizaje del alumnado: • • Valoración de materiales y medios utilizados: • • Aspectos negativos de tu actuación: • • Cambios que introducirías: • •

Para que este instrumento tenga utilidad, es preciso elaborarlo de forma paralela a la puesta en práctica del plan de actuación autónoma. Si pasa un cierto tiempo desde la intervención, los datos pueden no responder a la realidad.

Para terminar El estilo docente del futuro profesor está mediatizado por su experiencia como estudiante. Las PdE te deben permitir conocer los centros, las aulas y al alumnado de educación secundaria; reflexionar en y sobre la práctica educativa; reconocer algunos problemas docentes; valorar tus aptitudes profesionales; llevar a la práctica conocimientos e ideas; modificar, incluso, tu forma de pensar; seguir aprendiendo... Como puede apreciarse, para nosotros, el prácticum es un punto de partida en la docencia pero no de llegada. El desarrollo profesional precisa retroalimentarse de la práctica (de ésta y de otras), actualizar conocimientos, buscar y explorar nuevas posibilidades, reflexionar, intercambiar ideas y experiencias, hacer una autocrítica permanente... y, sobre todo, disfrutar con lo que se está haciendo. Es el marco en el que situamos nuestras sugerencias.


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Proyecto de prácticas personal

Durante las PdE pueden realizarse muchas actividades, pero no conviene entrar en el aula sin una reflexión previa sobre los objetivos y las tareas concretas que queremos desarrollar para alcanzarlos. Reflexiona sobre dos objetivos especificados en el cuadro 6. Cuadro 6. Modelo de proyecto de prácticas para cumplimentar con objetivos y actividades para su consecución

OBJETIVOS CONCRETOS

¿QUÉ HARÉ PARA LOGRARLO?

1. Conocer las ideas previas del alumnado sobre la A. temática de la UD que implementaré. B. C. ... 2. Aprender a desarrollar actividades en equipo.

A. B. C. ...

Se proponen estos dos objetivos, pero se pueden complementar con otros. Para cada uno deben reseñarse todas las tareas a realizar. En el primero, por ejemplo, una actuación podría ser buscar y adaptar un cuestionario existente, pero hay otras posibilidades. Para realizar esta actividad consulta el capítulo 3 de: • CAAMAÑO, A. (coord.) (2011b). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó.

Actividad 2

¿Cómo saber el nivel de significación de un aprendizaje?

En relación con la secuencia didáctica preparada para implementarla durante las PdE, diseña un instrumento de recogida de información que permita conocer el nivel de significación de lo aprendido por los alumnos sobre alguno de los contenidos programados. El aprendizaje será tanto más significativo cuanto más completa sea la comprensión alcanzada por cada sujeto y mayor sea su transferencia para explicar hechos y fenómenos cotidianos. El problema, por tanto, es determinar cómo explorar el nivel de comprensión alcanzado en base a la utilización que hagan de sus conocimientos.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALLENILLA, F. (2000). ¿Cómo crear en la fase práctica del CAP un contexto de formación en un modelo didáctico alternativo? Investigación en la Escuela, 42, 75-87. CAAMAÑO, A. (coord.) (2011a). Física y la Química. Complementos de formación disciplinar . Vol. I. Barcelona: Graó. — (coord.) (2011b). Didáctica de la Física y la Química. Vol. II. Barcelona: Graó. DRIVER, R., GUESNE, E. y TIBERGHIEN, A. (1989). Ideas científicas en la infancia y adolescencia. Madrid: Morata/MEC. FECYT (2005). Evaluación Nacional de Actitudes y Valores hacia la Ciencia en entornos educativos. Madrid: FECYT. GARCÍA-ESTAÑ, R., y otros (1988). El aprendizaje de la Física. Exploración diagnóstica en Murcia. Murcia: ICE. JIMÉNEZ-ALEIXANDRE, M.P., y otros (2003). Enseñar Ciencias. Barcelona: Graó. MARTÍN, R. y RIVERO, A. (2001). Construyendo un conocimiento profesionalizado para enseñar ciencias en la Educación Secundaria: los ámbitos de la investigación profesional en la formación inicial del profesorado. Revista Interuniversitaria de Formación de Profesorado, 40, 63-79. MARTÍNEZ, M., y otros (2001). ¿Qué pensamiento profesional y curricular tienen los futuros profesores de ciencias de Secundaria? Enseñanza de las Ciencias, 19 (1), 67-87. MELLADO, V. (2003). Cambio didáctico del profesorado de Ciencias Experimentales y Filosofía de la Ciencia. Enseñanza de las Ciencias, 21 (3), 343-358. MELLADO, V. y GONZÁLEZ, T. (2000). La formación inicial del profesorado de ciencias. En J. Perales y P. Cañal, Didáctica de las Ciencias Experimentales, 535-556. Alcoy: Marfil. MONTEIRO, R., CARRILLO, J. y AGUADED, S. (2009). Guiones de acción de un profesor novel de ciencias a partir de la modelización de la enseñanza. Enseñanza de las Ciencias, 27 (1), 77-88. PERRENOUD, P. (2004a). Desarrollar la práctica reflexiva en el oficio de enseñar . Barcelona: Graó. — (2004b). Diez nuevas competencias para enseñar . Barcelona: Graó POZO, J.I. y GÓMEZ CRESPO, M.A. (1999). Aprender y enseñar ciencia. Madrid: Morata. PRO, A. (1995). ¿Formación de profesores de secundaria versus profesor-tutor de prácticas de secundaria? En V. Mellado y L. Blanco, La formación del profesorado de Ciencias y Matemáticas en España y Portugal , 375-398. Badajoz: Universidad de Extremadura. — (2009). El uso de los recursos energéticos. Una unidad didáctica para la asignatura Ciencias para el Mundo Contemporáneo. Eureka. Enseñanza y divulgación de la Ciencia, 6 (1), 92-116. PRO, A., SÁNCHEZ, G. y VALCÁRCEL, M.V. (2008). Análisis de los libros de texto de Física y Química en el contexto de la Reforma LOGSE. Enseñanza de las Ciencias, 26 (2), 189-206. PRO, A, VALCÁRCEL, M.V. y SÁNCHEZ, G. (2005). Viabilidad de las propuestas didácticas planteadas en la formación inicial: opiniones, dificultades y necesidades de profesores principiantes. Enseñanza de las Ciencias, 23 (3), 357-378.


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Normativa legal Orden ECI/3858/2007, de 27 de diciembre, por la que se establecen los requisitos para la verificación de los títulos universitarios oficiales que habiliten para el ejercicio de las profesiones de Profesor de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanzas de Idiomas. Boletín Oficial del Estado (29/12/2007), 312, 53751-53753. También disponible en línea en: .

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FUENTES Y RECURSOS Aunque la mayor parte de los capítulos de este libro ofrecen muchas referencias a fuentes y recursos generales o específicos del aspecto tratado, en esta sección se añaden otros que los complementan. Al seleccionar estas fuentes y recursos tendremos en cuenta que el camino hacia la enseñanza de calidad y las buenas prácticas definidas en este libro es, precisamente, el camino del desarrollo profesional. Y el que éste sea efectivo parte de la aceptación personal de unas premisas teórico-prácticas y unas actitudes como las siguientes: • La necesidad de superar las limitaciones del conocimiento cotidiano sobre la enseñanza. Es decir, aceptar que la docencia es una profesión compleja y que requiere unos conocimientos especializados que difieren en gran manera de la «pedagogía de sentido común» que se adquiere por impregnación ambiental durante la propia experiencia escolar cotidiana. • La autoexigencia de poner todo de nuestra parte para lograr el desarrollo profesional necesario, con el fin de ofrecer una enseñanza de calidad . Es decir, querer ser un buen profesor y estar dispuesto a hacer todo lo que sea preciso para ello, pese a la existencia de obstáculos y dificultades que escapen a nuestro control: currículo excesivo, actitudes inadecuadas de algunos alumnos o familiares de estos, falta de estímulos y reconocimiento a la docencia de calidad, etc. • Aceptar que teoría y práctica son igualmente importantes en el desarrollo profesional. Pese al carácter práctico de la enseñanza, saber que la toma de decisiones en la acción exige unos sólidos fundamentos que se desarrollan en la propia acción y reflexión en el aula, pero también en los momentos de preparación y evaluación de las secuencias y contextos implementados. • Adoptar un talante investigador. Desarrollar una actitud de curiosidad e indagación personal que permita detectar problemas o interrogantes en la propia práctica e intentar resolverlos de forma válida y fundamentada. • Crecer con la ayuda de colegas, en colaboración con ellos. Reconocer la existencia de profesionales de la enseñanza con mayores niveles de desarrollo profesional y asumir la necesidad de conocer sus ideas y prácticas, como fuente de orientación y reflexión para las propias tareas docentes. Lo que implica: asumir la conveniencia y necesidad de colaborar con colegas y estudiar libros y artículos que ayuden a resolver los interrogantes que nos planteemos. Para superar las limitaciones del conocimiento cotidiano sobre la enseñanza es necesario, en primer lugar, reflexionar sobre nuestras concepciones al respecto y las alternativas existentes. Con este fin puede ser útil la lectura de trabajos como los que se citan en la selección bibliográfica final.

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En un plano más general, en relación con el resto de los aspectos antes señalados y con los expuestos en los distintos capítulos de este libro, la lectura habitual de artículos publicados en revistas como Cuadernos de Pedagogía, Aula de Innovación Educativa, Alambique, Eureka, RECC, Enseñanza de las Ciencias, Investigación en la Escuela, Recursos de Física, Educació Química EduQ, Educación Química, Química Nova na Escola, Journal of Chemical Education, Physics Education, School Science Review, BUP , entre otras, nos permitirá insertarnos, progresivamente, en la comunidad de profesores de materias científicas que se comunican entre sí y colaboran para avanzar en su desarrollo profesional. El reto personal y colectivo es la innovación. Pero, ¿en qué sentido? ¿Qué problemas principales se detectan en la enseñanza y aprendizaje de las ciencias en secundaria y qué innovaciones conviene introducir? Aunque son muchas las posibles fuentes, resultan particularmente interesantes los informes del Programa Internacional para la Evaluación de Estudiantes (PISA) sobre la competencia científica del alumnado de 15 años en los diversos países participantes. En todo caso, la introducción progresiva de cambios y mejoras en nuestra práctica debe hacerse con el apoyo y colaboración de colegas implicados en nuestra misma dinámica de desarrollo profesional, en nuestro centro de trabajo y en los múltiples foros de comunicación y cooperación docente que se están desarrollando en Internet. En la red social de Facebook, por ejemplo, existen muchos grupos relacionados directamente con la enseñanza de la física y de la química en idioma español y ahí podríamos encontrar quizás el apoyo requerido. También hay webs de diferentes centros de ciencias, centros de recursos o centros de profesores que ofrecen materiales y asesoramiento de calidad. La participación en cursos, seminarios, jornadas y congresos sobre la enseñanza de las ciencias, y de la Física y Química, en particular, es también otro modo de mantenerse actualizado y en contacto con la investigación y la innovación que se realiza. Por último, la afiliación a asociaciones de docentes de ciencias o de Física y Química que existen en varias comunidades autónomas permite formar parte de colectivos que trabajan por la mejora de la enseñanza. La imagen del profesor autárquico, aislado entre las cuatro paredes de su aula, es y debe ser una reliquia indeseable del pasado. La enseñanza de la Física y de la Química requiere actualización científica y didáctica permanente, espíritu investigador y colaboración profesional. Evidentemente, los recursos aquí mencionados, y los citados en los capítulos precedentes, constituyen tan solo un punto de arranque para la indagación personal y grupal que permita conocer y explotar las mejores fuentes de información para lograr la buena enseñanza de la Física y Química que necesitamos.

FUENTES Y RECURSOS

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Didáctica de las Ciencias (Física y Química) Alambique. Sección Aula de Didáctica. Desde el número 65 (2010). ASTOLFI, J.P. (1997). Conceptos clave en la didáctica de las disciplinas. Colección Investigación y Enseñanza. Sevilla: Díada Editora. BENLLOCH, M. (comp.) (2002). La educación en ciencias: ideas para mejorar su práctica. Madrid: Paidós. CAAMAÑO, A. (coord.) (2011a). Física y Química. Complementos de formación disciplinar. Barcelona: Graó. — (coord.) (2011b). Didáctica de la Física y la Química. Barcelona: Graó. CARMEN, L. (coord.) (1997). La enseñanza y el aprendizaje de las ciencias de la naturaleza en la educación secundaria. ICE UB/Horsori. CLAXTON, G. (1991). Educar mentes curiosas. El reto de la ciencia en la escuela. Madrid: Aprendizaje-Visor. DUSCHL, R.A. (1997). Renovar la enseñanza de las ciencias. Importancia de las teorías y su desarrollo. Madrid: Narcea. GIL, D., y otros (1991). La enseñanza de las ciencias en la educación secundaria. ICE UB/Horsori. IZQUIERDO, M. y ALIBERAS, J. (2004). Pensar, actuar i parlar a la classe de ciències. Per un ensenyament de les ciències racional i raonable. Servei de Publicacions de la UAB. Materials 150. JIMÉNEZ-ALEIXANDRE, M.P. (coord.) (2003). Enseñar Ciencias. Barcelona: Graó. JIMÉNEZ-ALEIXANDRE, M.P., ALBALADEJO, C. y CAAMAÑO, A. (1992). Didáctica de Ciencias de la Naturaleza. Curso de actualización científica y didáctica. Madrid: Ministerio de Educación y Ciencia. LLORÉNS, J.A. (1991). Comenzando a aprender química: ideas para el diseño curricular. Madrid: Visor. PEDRINACI, E., y otros (2011). Doce ideas clave. El desarrollo de la competencia científica. Barcelona: Graó. PERALES, J.L. y CAÑAL, P. (eds.) (2000). Didáctica de Ciencias Experimentales. Alcoy: Marfil. POZO, I. y GÓMEZ-CRESPO, M.A. (1998). Aprender y enseñar ciencia. Madrid: Morata. QUINTANILLA, M. y ADÚRIZ-BRAVO, A. (2006). Enseñar Ciencias en el nuevo milenio. Retos y propuestas. Santiago de Chile: Ediciones Universidad Católica de Chile. SANMARTÍ, N. (2002). Didáctica de las ciencias en la educación secundaria obligatoria. Madrid: Síntesis Educación.

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Demostraciones físicas Con respecto a los experimentos e investigaciones expuestos en el capítulo 5 hay, afortunadamente, muchas y excelentes fuentes de información acerca de las demostraciones físicas. Las más útiles y con garantía de funcionamiento son: Alambique. Didáctica de las ciencias experimentales. Graó. Disponible en línea en: . CALVANI, P. (1988). Juegos científicos. Madrid: Pirámide. CORTEL, A. (1997). Las ondas. La luz y el sonido. ICE-Universidad de Barcelona. DISPEZIO, M. (2004). Experimentos sorprendentes con la luz. Barcelona: Oniro. ESTALELLA, J. (2007). Ciencia recreativa. Barcelona: Ayuntamiento de Barcelona.

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FRANCO, Á. Física con ordenador . Disponible en línea en: . FREIER, G.D. (1981). A Demonstration Handbook for Physics. AAPT. HEWITT, P.G. (2004). Física conceptual . México: Pearson Educación. Página de Ciencia en acción. Disponible en línea en: . Página personal d’Anicet Cosialls. Disponible en línea en: . Physics Demo Notebook. Rae Carpenter. Virginia Military Institute. PRESS, H.J. (2006). E xperimentos sencillos con fuerzas y ondas. Barcelona: Oniro. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias. Revista electrónica gratuita de la Asociación de Profesores Amigos de la Ciencia. SUTTON, R.M. (1938). Demonstration Experiments in Physics. AAPT. McGraw-Hill. Se puede descargar gratuitamente en: . The Physics Teacher . Revista de la American Association of Physics Teachers. Puede consultarse en las bibliotecas universitarias. Disponible en línea en: . TISSANDIER, G. (2003). Recreaciones científicas. Barcelona: Alta Fulla. Sitios web

También como material complementario al capítulo 5, se recomiendan las páginas web siguientes: Talleres de ciencias.

www.jpimentel.com/ciencias_experimentales/pagwebciencias/PAGWEB/Los_talleres_de_ ciencias/Talleres_de_ciencias.htm Página del proyecto de innovación «Los talleres de ciencias. Una nueva metodología para su enseñanza», del IES Juana de Pimentel, de Arenas de San Pedro (Ávila). Experimentos con luz poralizada.

centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/practica2/pr-71/pr-71.htm Experimentos creados por A. Cañamero para el número 47 de El rincón de la Ciencia , revista de divulgación del IES Victoria Kent, de Torrejón de Ardoz (Madrid).

Colección Formación del Profesorado. Educación Secundaria Director: César Coll

1. Volúmenes correspondientes al módulo genérico y al prácticum V OL. I V OL. II V OL. III V OL. IV

Desarrollo, aprendizaje y enseñanza en la educación secundaria Coordinador: César Coll Procesos y contextos educativos: enseñar en las instituciones de educación secundaria Coordinador: Francisco Imbernón Sociología de la educación secundaria Coordinador: Rafael Feito Aprender a enseñar en la práctica: procesos de innovación y prácticas de formación en la educación secundaria Coordinador: Ángel Pérez Gómez

Volúmenes correspondientes al módulo específico 2. Biología y Geología Coordinador: Pedro Cañal V OL. I V OL. II V OL. III

Biología y Geología. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Biología y la Geología Biología y Geología. Investigación, innovación y buenas prácticas

3. Dibujo: Artes plásticas y visuales Coordinadores: Francisco Esquinas y Mercedes Sánchez V OL. I V OL. II V OL. III

Dibujo: Artes plásticas y visuales. Complementos de formación disciplinar Didáctica del Dibujo: Artes plásticas y visuales Dibujo: Artes plásticas y visuales. Investigación, innovación y buenas prácticas

4. Educación física Coordinadores: Carlos González Arévalo y Teresa Lleixà Arribas V OL. I V OL. II V OL. III

Educación física. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Educación física Educación física. Investigación, innovación y buenas prácticas

5. Física y Química Coordinador: Aureli Caamaño V OL. I V OL. II V OL. III

Física y Química. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Física y la Química Física y Química. Investigación, innovación y buenas prácticas

6. Filosofía V OL. I V OL. II V OL. III

Coordinadores: Luis María Cifuentes y José María Gutiérrez Filosofía. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Filosofía Filosofía. Investigación, innovación y buenas prácticas

7. Francés V OL. I V OL. II V OL. III

Coordinadora: Carmen Guillén Francés. Complementos de formación disciplinar Didáctica del Francés Francés. Investigación, innovación y buenas prácticas

8. Geografía e Historia Coordinador: Joaquim Prats V OL. I V OL. II V OL. III

Geografía e Historia. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Geografía y la Historia Geografía e Historia. Investigación, innovación y buenas prácticas

9. Inglés V OL. I. V OL. II V OL. III

Coordinadora: Susan House Inglés. Complementos de formación disciplinar Didáctica del Inglés Inglés. Investigación, innovación y buenas prácticas

10. Lengua castellana y Literatura Coordinadora: Uri Ruiz V OL. I V OL. II V OL. III

Lengua castellana y Literatura. Complementos de formación disciplinar Didáctica de la Lengua castellana y la Literatura Lengua castellana y Literatura. Investigación, innovación y buenas prácticas

11. Llengua catalana i Literatura Coordinadora: Anna Camps V OL. I V OL. II V OL. III

Llengua catalana i Literatura. Complements de formació disciplinària Didàctica de la Llengua catalana i la Literatura Llengua catalana i Literatura. Investigació, innovació i bones pràctiques

FISICA Y QUIMICA Investigación Innovaciòn y buenas prácticas. CAAMAÑO. COMPRADO.pdf

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