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Fisica general

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Fisica general

  1. 1. LAS EXPERIENCIAS DE CÁTEDRA COMO APOYO EN EL PROCESO DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE DE LA FÍSICA. por Rafael Márquez Delgado Resumen.- Después de una serie de consideraciones generales acerca de las experiencias de cátedra, en la que se habla de sus antecedentes, desarrollo, declive y nuevo resurgir, se discuten las ventajas de este recurso didáctico en la enseñanza de las ciencias experimentales en general y de la física en particular, especialmente como apoyo de la denominada clase magistral. ¡El péndulo, el más económico y versátil de los equipos experimentales! 1. INTRODUCCIÓN. Las experiencias de cátedra (EC) -o demostraciones en el aula (DA), como
  2. 2. más frecuentemente se conocen fuera de nuestro país-, como es sabido, no son otra cosa que demostraciones experimentales realizadas por el propio profesor y generalmente intercaladas en su misma clase teórica, la llamada clase magistral (CM). Estas ECs constituyen una ayuda inestimable para el profesor de cualquier ciencia experimental, ya que le permiten mostrar al alumno de forma directa el carácter experimental de su ciencia; introducir, aclarar o consolidar conceptos; mantener una conexión cronológica entre teoría y experimentación; introducir al alumno en el método inductivo; hacer más activa y participativa la CM, etc., etc. Y, sin embargo, es ésta una práctica docente que ha ido cayendo en desuso, especialmente en nuestro país, hasta tal punto que hoy en día sólo a algún viejo profesor como el que esto escribe, se le ve a veces transportar algún material experimental a la propia clase. Antecedentes. Las demostraciones experimentales eran ya populares en el siglo XVII. Fueron introduciéndose en reuniones sociales, instituciones y sociedades científicas, academias de ciencias, etc. y de ahí pasaron a las escuelas y universidades. Pero la edad de oro de las ECs fue sin duda el siglo XIX, y a ello contribuyó muy especialmente Michael Faraday con sus célebres Conferencias de los Viernes (Friday Evening Discourses) y Conferencias de Navidad (Christmas Lectures), que él mismo institucionalizó en la Royal Institution de Londres y han continuado hasta nuestros días. En ellas intervinieron, aparte del mismo Faraday, muchos de los más destacados científicos de la época (Helmholtz, Dewar, Lissajous, Miller, Tyndall,...). Las ECs continuaron siendo populares tanto en la escuela como en la universidad durante el siglo XX hasta la Segunda Guerra Mundial. Son muy comentadas en Europa y América las conferencias con demostraciones de Sir Lawrence Bragg sobre óptica, las de Alexander Wood sobre el sonido, y las de física general de R.W. Pohl (en Göttingen), Paul Scherrer (en el ETH de Zurich), Summer Miller, Charles Taylor y otros. Mezclando sustractivamente los tres colores sustractivos primarios (magenta, amarillo y cián) dos a dos, obtenemos los aditivos primarios (rojo, verde y azul). La mezcla sustractiva de los tres da negro, como se puede apreciar en el centro de la imagen. El declive de las ECs. Las causas del declive de las ECs después de la Segunda Guerra Mundial son posiblemente mezcla de muchos factores, entre los que podemos destacar los siguientes: - El enorme crecimiento del conocimiento científico. Ello hace que el profesor se vea obligado a incorporar cada vez más material a sus programas, de forma que no dispone de tiempo en clase para intercalar estas ECs. - La tarea suplementaria que suponen para el profesor. Una buena EC requiere tiempo de
  3. 3. preparación suficiente y programación adecuada por parte de un profesor en muchas ocasiones agobiado por el número de horas de clase y que, en general, no ve de alguna manera reconocido dicho trabajo. -La falta de motivación del profesorado. Y nos referimos en esto no sólo al profesorado de las enseñanzas preuniversitarias, sino más especialmente al de las enseñanzas universitarias. Salvo algunas excepciones, la universidad es la única institución docente que combina investigación y enseñanza, y no es fácil mantener equilibrada esta balanza. Todos sabemos como existe una tendencia generalizada a menospreciar la enseñanza frente a la investigación. El curriculum académico está casi exclusivamente basado en la investigación, y muchos profesores miramos la investigación como la actividad principal de nuestra profesión y la enseñanza como algo complementario. No puede, pues, extrañar que los profesores universitarios -y con más razón aquellos que quieren llegar a serlo- estén más motivados por emplear su tiempo en la investigación, que le permitirá su promoción, que en dedicarlo a la preparación laboriosa de estas demostraciones experimentales. - La masificación del alumnado. Masificación que se hace especialmente importante en los primeros cursos -que es, por otra parte, donde más indicado está este recurso didáctico-, y que obliga a dividir los cursos en grupos, a cargo de profesores diferentes -no siempre los más experimentados-, debiéndose dar las clases en aulas distintas y, a veces, incluso en distintos edificios, lo que hace muy difícil (¡aunque no imposible!) la utilización general de estas ECs. En 1666, Isaac Newton utilizando un gran prisma de vidrio logró dividir la luz del Sol en un rango de colores que él mismo denominó espectro. - La falta de asistencia técnica para estos fines. Al menos en nuestro país, resulta muy difícil, por no
  4. 4. decir imposible, el poder disponer de ayudantes, mozos de laboratorio, incluso talleres, a los que encomendar trabajos relacionados con las ECs. - La naturaleza de los descubrimientos recientes de la ciencia. Hay quien señala también como causa del declive de las ECs el que algunos de los descubrimientos más recientes de la física no se prestan -ni por el coste de los aparatos, ni por su tamaño- a estas demostraciones en el aula. Aunque esto es cierto en muchos casos, queda sin embargo un amplio campo de la física -tanto clásica como moderna- que poder ilustrar con las ECs, y reservaríamos para esos nuevos descubrimientos otros medios audiovisuales y/o de simulación. El resurgir de las ECs. Sin embargo, como señala Charles Taylor (1988), en estos quince o veinte últimos años "ha vuelto a salir el péndulo al aula". Algunas sociedades científicas extranjeras han empezado a organizar conferencias con demostraciones, y muchos departamentos universitarios reciben ayudas para ofrecer este tipo de conferencias a profesores y alumnos de escuelas secundarias e incluso primarias. En 1985 la Royal Society, junto con la Royal Institution y la British Association for the Avancement of Science, creó un comité para fomentar la comprensión pública de la ciencia (COPUS), cuyo objetivo era el elaborar las directrices para un amplio programa en orden a mejorar el conocimiento y comprensión de la ciencia y la tecnología. El informe invita a todos los investigadores prestigiosos del país a hacer esfuerzos especiales para dar a conocer sus trabajos al público general, y el recurso más recomendado para ello es la conferencia con ECs. 2. VENTAJAS PEDAGÓGICAS Y DIDÁCTICAS DE LAS ECs EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA. - Las ECs ponen de manifiesto el carácter experimental de esta ciencia. Si se prescinde de toda comprobación experimental, dice Loedel (1957), lo que se enseña no es una ciencia sino un dogma. Es preciso que el profesor lleve al ánimo del estudiante la convicción de que, aunque en la enseñanza y en la investigación en física, se hace uso frecuente de las matemáticas -en la enseñanza, muchas veces un uso abusivo-, las matemáticas y la física son ciencias completamente diferentes; exacta la una y experimental la otra. Los entes con los que ambas ciencias trabajan son diferentes, y también lo son sus métodos."De la nada he creado un mundo nuevo y diferente", dice el matemático Janos Bolyai. El físico no puede crear un mundo de la nada, el físico tiene que atenerse al mundo que existe, al mundo real. La física es una parte de la ciencia natural. Pues bien, el mejor recurso de que puede valerse el profesor de física para mostrar esto a sus alumnos consiste, sin duda, en llevar la experimentación a la propia clase, mostrando experimentalmente un fenómeno que encuentra su explicación dentro de la teoría que acaba de desarrollar, o mostrando un fenómeno para cuya explicación hay que desarrollar una nueva teoría. - Las ECs ayudan a los estudiantes en la comprensión de los conceptos científicos. Un concepto científico para ser comprendido y usado correctamente necesita una definición operacional cuidadosa, pues, como a veces se indica, es menos probable interpretar equivocadamente las operaciones que las palabras (Bridgman, 1927). Debemos, pues, reforzar nuestras palabras con las correspondientes operaciones experimentales para que el estudiante entienda que un concepto científico no es una simple definición, sino que encierra una idea (noción) primero y un nombre después, y que la comprensión "no reside en los términos técnicos en sí mismos" (A.B. Arons, 1990). Es necesario, entonces, que los conceptos, que son los pilares que sustentan el edificio de la física, sean adquiridos, siempre que sea posible, por la experimentación, y como el lugar en el que se trata de explicar o aclarar estos conceptos a los alumnos es la clase, parece lógico que se haga uso de la experimentación en la propia CM. En los primeros niveles, sobre todo, es imprescindible
  5. 5. introducir los conceptos ayudándose de objetos y hechos concretos ya que, como es sabido, el grado de abstracción de los niños es prácticamente nulo. - Las ECs permiten ilustrar el método inductivo. Las ECs bien conducidas constituyen, sin duda, la mejor forma de ilustrar el método inductivo en la CM, guiando la intuición del alumno, haciéndole ascender del caso particular y concreto al mundo de las leyes generales. A este respecto, el esfuerzo de abstracción que generalmente se exige al estudiante en los cursos de matemáticas que paralelamente va siguiendo en la enseñanza secundaria, bachillerato y primeros cursos universitarios, le va formando en el rigor matemático, pero puede terminar ahogando su intuición por completo. Y esta intuición es fundamental para el científico. Einstein solía decir que la etapa más importante del ciclo de creación científica es la transición a una hipótesis y que esto se hace por intuición."Todo experimento, todo método, toda observación, nace de una intuición general que es algo más que matemáticas", decía O. Spengler (1925). Pues bien, el desafío de todo profesor de física es conseguir que el estudiante capte esa intuición. Doble refracción (Experimento de Erasmo de Bartholin, 1669). Reproducción del experimento de Bartholin mediante un cristal de espato de Islandia. (Realizado sobre un retroproyector.) Todos sabemos que el utilizar de forma deductiva un conocimiento es mucho más fácil que formular una hipótesis para interpretar los fenómenos. De ahí que una enseñanza de la física dogmáticodeductiva no sea en general mal acogida por la mayoría de los estudiantes y de los profesores. Estos últimos, buscando muchas veces la mayor "economía" (esfuerzo/tiempo) del orden deductivo
  6. 6. respecto al inductivo, y deseando que el estudiante alcance lo antes posible la estructuración actual de la disciplina, tienden a enseñar de arriba a abajo, de lo general a lo particular; presentando al alumno unos pocos principios generales y mostrándole cómo estos pueden aplicarse a ciertos casos particulares. Y aunque, como indica L.C. McDermott (1991), es éste el esquema conceptual al que finalmente queremos conducir a nuestros alumnos, no parece conveniente imponerlo desde el principio, sino conducirlos a él a través de ciertos procesos de abstracción y generalización, de manera que sea el propio estudiante el que, ejercitando su pensamiento inductivo, participe de forma activa en la "creación" de esos (o, al menos, algunos) principios generales. Pues bien, para conseguir este objetivo en la CM y reforzar de paso la actividad creativa de los estudiantes, no conocemos mejor ayuda que las ECs, en las que las metodologías inductiva y deductiva pueden quedar integradas de la mejor forma posible, esto es, "apoyándose una en otra y no compitiendo", como señala Schoené (1965). - Las ECs ayudan a establecer conexiones entre el formalismo de la física y los fenómenos del mundo real. Cualquier profesor de física sabe por experiencia la dificultad que tienen los estudiantes de relacionar los conceptos físicos y sus representaciones con los objetos y sujetos reales. En la consideración de los procesos físicos, los estudiantes tienen tendencia a concentrarse más en los algoritmos que en el proceso en sí; esto es, tienen tendencia a enfocar dichos procesos a través de fórmulas que han aprendido en las técnicas de resolución de problemas, donde suelen utilizar estrategias basadas casi exclusivamente en el uso de fórmulas. Ahora bien, la aptitud de establecer conexiones entre los fenómenos del mundo real y el formalismo de la ciencia necesita ser expresamente desarrollada en los estudiantes, utilizando estrategias instruccionales que conduzcan a una comprensión cualitativa de los fenómenos. Pues bien, en nuestra opinión, las ECs bien conducidas constituyen una ayuda inestimable para el profesor de física que pretende orientar al alumno a concebir un problema más que como el esfuerzo de buscar la fórmula que hay que aplicar para encontrar el valor de alguna magnitud desconocida, como una forma de describir un proceso físico introduciendo una metodología científica, que empezará siempre por un análisis o razonamiento cualitativo. - Las ECs permiten mantener una conexión cronológica entre teoría y experimentación. Es un hecho conocido por cualquier profesor de ciencias experimentales, la imposibilidad de mantener el trabajo práctico de laboratorio en conexión cronológica con las clases de teoría. Este inconveniente puede ser paliado en parte (¡Las ECs no excluyen el trabajo práctico en el laboratorio!) mediante las ECs que se insertan en el momento oportuno, surgiendo orgánicamente en el desarrollo de la teoría. Esta conexión cronológica entre teoría y experimentación tiene además una importante incidencia en el proceso de enseñanza-aprendizaje, ya que investigaciones llevadas a cabo a este respecto han puesto de manifiesto el considerable refuerzo que ello supone tanto en el aprendizaje como en la fijación de conocimientos. - Las ECs pueden ayudar a introducir cierta perspectiva histórica en la enseñanza de la física. Es una idea bastante aceptada hoy el que la inclusión de notas históricas en los cursos de física constituyen una ayuda pedagógica importante, además de una fuente de enriquecimiento cultural. Las diferencias entre los defensores y detractores de un enfoque histórico en la enseñanza de la física residen, sobre todo, en cómo de intenso debe ser ese enfoque. En nuestra opinión, el acierto está en saber alcanzar una situación de compromiso en la que la reseña histórica sirva para reforzar la física que enseñamos, pero no para pretender hacer un curso de historia de esta disciplina. Se suelen citar las siguientes razones generales que aconsejan introducir ciertas notas históricas en la enseñanza de la física: Como ayuda pedagógica. - Despierta la curiosidad y el interés del alumno.
  7. 7. - Permite mostrar cómo surge y se desarrolla una idea, un concepto o una teoría. - Enseña a formular hipótesis, ejercitando el pensamiento creativo. Como fuente de enriquecimiento cultural. - Introduce la física en la sociedad (origen, consecuencias, aplicaciones), mostrando la interrelación existente entre ciencia, tecnología y sociedad. - Muestra la física como una aventura humana. (Ayuda a despojarla de ese carácter impersonal con el que muchos la ven desde fuera, la humaniza). - Muestra cómo la física, como la ciencia en general, es un proceso dinámico, cómo nuestros conocimientos no son jamás definitivos ni absolutamente ciertos. - Permite poner de manifiesto el carácter acumulativo de la ciencia. - Permite explicar la evolución de las ideas científicas y su inclusión en un contexto más amplio: La Historia de la Humanidad. - Por último, permite presentar algunas cuestiones históricas que muestran un destacado interés en sí. Pues bien, dentro de este contexto, las ECs constituyen un excelente recurso didáctico para alcanzar estos objetivos. Colocan al alumno en situación activa reflexionando sobre un experimento histórico que le estamos mostrando y que le haremos analizar detalladamente tanto desde el punto de vista del conocimiento o cultura científica actual, como de la época en que se realizó. Este análisis, aparte de las ventajas pedagógicas y de enriquecimiento cultural señaladas, pondrá de manifiesto ante el alumno cómo el que descubre está condicionado no sólo por los hechos en sí, sino también por la cultura del momento. Estas ECs de carácter histórico resultan útiles no sólo en intervenciones puntuales en la clase, sino también en el desarrollo de conferencias referidas al trabajo de científicos notables o a teorías relevantes en el campo de la física, y muy especialmente en aquellas dirigidas a audiencias no especializadas. - Las ECs son mucho más eficaces, sobre todo en los primeros niveles, que los métodos audiovisuales. Como es sabido, la transmisión de conocimientos se hace generalmente a nivel verbal o a nivel icónico. A esto último recurrimos siempre que las palabras no resultan suficientes para explicar lo que deseamos, o bien la descripción mediante la palabra puede resultar confusa, caso frecuente en la ciencia. "Una buena imagen vale más que mil palabras", estamos acostumbrados a oír. Las imágenes modernas (fotografía, cine, televisión,...), con el extraordinario grado de desarrollo y perfeccionamiento a que han llegado, aportan a nuestras descripciones veracidad y objetividad, resultando mucho más próximas a la realidad, ¡pero no son la realidad!. No es el mismo péndulo, por ejemplo, el que se ve moverse sobre la pantalla del televisor que el que está aquí y ahora sobre la mesa del profesor, y que éste puede manipular a voluntad y cuantas veces lo desee. Por muy seductoras que sean las aportaciones de la imagen a las clases de ciencias -y en muchas ocasiones lo son-, no deberán ser preferidas a la realidad, siempre que podamos acceder a ésta sin muchas dificultades.Y esto vale sobre todo para los niveles más bajos ya que, como señalamos anteriormente, el niño tiene un grado de abstracción muy limitado, prácticamente nulo. Las ECs no solamente permiten a los estudiantes ver de primera mano cómo ocurren los fenómenos físicos, sino que proporcionan también, con las asociaciones visuales que pueden captar y preservar, la esencia de los mismos de una manera mucho más eficaz que la simple descripción verbal. A veces es conveniente combinar las ECs con técnicas audiovisuales y/o el uso del ordenador, que pueden
  8. 8. permitir a los alumnos el observar más claramente los detalles y procesos y, por consiguiente, comprender más fácilmente los principios físicos subyacentes. Tal ocurre, por ejemplo, con algunos fenómenos que ocurren tan rápidamente, o son tan complejos, que no pueden ser seguidos con detalle; la tecnología del vídeo -con tomas de alta velocidad- puede utilizarse con éxito en estos casos. Una de las principales ventajas de las ECs es que en ellas no se simula el fenómeno físico, sino que se le presenta tal y como es. No obstante, existen hoy en día simulaciones muy bien realizadas y bastante próximas a la realidad, que pueden utilizarse como complemento de las ECs o en sustitución de éstas, caso de no prestarse el fenómeno a ser reproducido mediante una EC. Algunos profesores prefieren los métodos audiovisuales a las ECs, no porque el rendimiento pedagógico sea mejor, sino porque pueden utilizarlos con el mínimo de preparación y economía de tiempo, recursos, etc. En nuestra opinión, el uso de la imagen filmada y/o la simulación mediante ordenador deben reservarse para: - reforzar las ECs realizadas en el aula; - mostrar experiencias difíciles o imposibles de llevar al aula, por su coste, tamaño, falta de recursos, etc. - mostrar otros aspectos (históricos, sociales, tecnológicos,...) de la ciencia. - Las ECs permiten mostrar a los estudiantes técnicas de trabajo experimental. Aunque no es éste un objetivo de las ECs, pueden servirnos además para este fin, mostrando no sólo los aspectos manipulativos del experimento sino, lo que es más importante, su secuenciación y la forma de registrar y analizar los datos experimentales. Con esto ayudaremos a los estudiantes a adquirir destrezas observacionales y de análisis, así como habilidad para interpretarlas. Por otra parte, si el profesor tiene habilidad experimental, las ECs estimulan a los estudiantes a adquirir habilidades manipulativas. - Las ECs, en definitiva, constituyen un refuerzo muy positivo de la clase magistral. El problema de la clase magistral reside a mi entender no tanto en el uso como en el abuso que de la misma se hace, ya que generalmente se utiliza como único recurso docente, especialmente en nuestro país donde la CM constituye generalmente la única fuente de información para el alumno quien, de forma casi general, no suele utilizar otra bibliografía que los apuntes que recoge en clase. Sin embargo, la CM desarrollada en la forma que hoy se recomienda y en número no superior a dos horas semanales por disciplina, tiene unos objetivos específicos difíciles de conseguir por otros procedimientos didácticos. Pues bien, las ECs constituyen un refuerzo muy importante de la CM, aparte de por todas las características generales señaladas anteriormente, por las siguientes: - Motiva al estudiante. Y éste es el primer objetivo de instrucción que debe cumplir una CM, según Gagné (1965). Despierta la atención de la audiencia, promueve la curiosidad, estimula el interés, etc. - Promueve la interacción profesor-estudiante. El proceso de enseñanza-aprendizaje en ciencias está ligado a la relación entre explicación y comprensión, en definitiva, entre profesor y estudiante. La importancia de la explicación en la comprensión de la ciencia es un hecho reconocido tanto por los estudiantes (Bliss y Ogborn. 1977) como por los profesores (Brown, 1978). Pues bien, la necesaria interacción entre la audiencia y el profesor puede conseguirse mucho más fácilmente mediante las ECs, y esto no sólo por las ECs en sí, sino porque a través de ellas podemos variar la tensión del auditorio, variando su presentación, introduciendo conflictos, dramatizando, poniendo ejemplos sorpresas, etc. - Enriquece el ambiente participativo y discursivo, haciendo la CM más activa. Consecuencia de lo
  9. 9. anterior. - Las ECs constituyen la mejor forma de combinar, en una misma experiencia, las formas didácticas de exposición con las de interrogación y análisis, resultando de ello una enseñanza activa y de investigación. - Introduce de forma real los fenómenos físicos en la clase, estableciendo conexiones con la vida real. - Permite presentar una determinada cuestión con más claridad y precisión que con la sola palabra. - Aunque las ECs no constituyen un método especialmente ideado para hacer más amena la CM, de paso lo consiguen. El 17 de Octubre de 1831, Michael Faraday obtiene una corriente inducida en una bobina, introduciendo o sacando rápidamente un imán en la misma. BIBLIOGRAFÍA. - Arons,A.B. (1990). A Guide To Introductory Physics Teaching.New York, J. Wiley and Sons. - Bliss,J. and Ogborn,J. eds. (1977). Students´ Reactions to Undergraduate Science HELP Publications. Heinemann. - Bridgman, P.W. (1927). Logic and Modern Physics. Mc Millan. - Brown, G. (1978). Lecturing and Explaining. Methuen. - Desaguliers, J.T. (1763). Course of Experimental Philosophy. - Gagné, R.M. (1965). The conditions of learning. Holt, Rinehart and Winston. - Knoll, K. (1974). Didáctica de la enseñanza de la Física.Buenos Aires, Kapelusz. - Loedel, E. (1957). Enseñanza de la Física. Buenos Aires, Kapelusz.
  10. 10. - Mc Dermott, L. C. (1991). What we teach and what is learned-Closing the gal. Am. J.Phys,59. - Márquez Delgado, R. (1995).Hacia una enseñanza más cualitativa de la física.Revis- ta Española de Física, 9, 3. - Miller, J.S. (1965).Matters of importance in the teaching of physics.Teaching Physics To-day. Some important topics. - Schoene, H. (1965). Essentials for a minimun course in physics.Teaching Physics To-day. Some important topics. París. O.C.D.E. - Spengler, O. (1925). La Decadencia de Occidente. Vol.2.Madrid, Calpe. - Taylor, C.(1988).The Art and Science of Lecture Demonstration. Adam Hilger. Corriente termoeléctrica (Efecto Seebeck, 1821). Dentro del circuito constituido por una varilla de cobre y otra de constantán, se ha dispuesto una aguja magnética, que acusa la generación de una corriente eléctrica cuando se calienta una de las soldaduras del circuito. Rotaciones electromagnéticas de Faraday (1821). La varilla de cobre, que puede girar libremente por su extremo superior, tiene el extremo inferior sumergido en un vaso con mercurio en cuyo centro lleva, sumergido a medias, un imán, de manera que sobresale uno de los polos. Al hacer pasar una corriente eléctrica por la varilla y el mercurio, aquella gira alrededor del imán. (Este experimento convirtió a Faraday en inventor del primer motor electromagnético.)

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