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| Los
seres humanos siempre han mostrado interés en tratar de descubrir
la forma en que se creó el Universo, la manera en que funciona y
el sitio que ocupa en el esquema cósmico de las cosas. El desarrollo
de la comprensión de la arquitectura del Universo seguramente no
es completo, pero se han hecho grandes progresos. Un universo que está
constituido por distancias demasiado vastas para poderse alcanzar y de partículas
tan pequeñas que no se pueden ver y tan numerosas que resultan incontables,
es un tributo a la inteligencia humana, en la que se ha ido progresando
a medida que se va explicando la manera en que se originan las cosas. Todos
los seres humanos deberían participar en el placer de conocer mejor
su entorno.
CIENCIA: CONOCIMIENTO PARA TODOS
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En cierto sentido este hecho complica la definición de lo que los alumnos deberían conocer acerca de la estructura del Universo. Cualquier orden en los temas soslayaría muchas interrelaciones entre ellos. En la jerarquización que usaremos aquí (y también en Ciencia: Conocimiento para todos) aparecen en distintas secciones objetivos programáticos relacionados con la gravedad, el electromagnetismo y la medición. Por ejemplo, en 4A, El Universo, en 4B, La Tierra, en 4F, El movimiento y en 4G, Las fuerzas de la naturaleza, los temas se relacionan con conceptos de atracción gravitacional y con la medición de enormes magnitudes de distancia, masa y tiempo. Y en 4D, La estructura de la materia, en 4E, Las transformaciones de la energía y en 4G, Las fuerzas de la naturaleza, los conceptos se enlazan mediante temas de electromagnetismo y la medición de distancia, masa y energía diminutas. Los objetivos de cualquier sección se relacionan con otros y deben leerse en el contexto de los demás.
El Universo físico es un tema en el que muchos conceptos requieren una buena comprensión e imaginación por parte del alumno. Los niños de nivel elemental sólo pueden formarse ideas vagas sobre las estrellas y la materia. Los parámetros tan distintos de los fenómenos astronómicos y atómicos sólo pueden comprenderse más tarde. Es importante sin embargo que todos los alumnos desarrollen un sentido del lugar, tiempo e interacciones físicas en los que se desarrollan sus vidas. Los niños de los primeros años tienen especial curiosidad por conocer cómo funciona el mundo.
Se presenta entonces el dilema de cuándo presentar las ideas en el plan de estudios. Por un lado, si se apresura uno a enseñar a los alumnos de primaria qué son los átomos o las galaxias, es probable que no se llegue a ninguna parte. La mayoría sólo recitará lo aprendido, sin comprender gran cosa. Por otro lado, las explicaciones y las imágenes de esos temas son frecuentes en los medios de comunicación. El plan de estudios se puede concentrar en las experiencias asequibles a los niños; por ejemplo, las diferencias entre los demás planetas y la Tierra, o los diversos materiales que se encuentran en la naturaleza. Hay conceptos que atraen el interés de los niños y sirven para comprender otras ideas o fenómenos más complejos, por ejemplo, los movimientos observables en el cielo y los cambios en los materiales.
En la antigüedad la gente observaba más de las estrellas y estaba familiarizada con ellas de un modo en el que hoy pocos lo hacen. En aquellas épocas se conocía la ubicación de los astros en el cielo octurno, la regularidad de los movimientos estelares y la estrecha relación de éstos con las estaciones del año. Este conocimiento sirvió para determinar cuándo sembrar o cosechar, y para orientarse en el mar. Las constelaciones, el Sol, la Luna y los "vagabundos" (los planetas), han tenido un lugar central en la explicación del mundo, mediante mitos y leyendas.
Para todo lo anterior no se necesita la ciencia, ni para el auténtico asombro que provoca la contemplación de las estrellas en una noche despejada y sin luna, lejos de las luces urbanas: este asombro, este temor, han inspirado a poetas, músicos y artistas. ¿Por qué, entonces, insistir en que todos se familiaricen con los cielos que describe la ciencia? Debemos tener en cuenta que en las ciudades el cielo nocturno ya no es parte del entorno de las personas. Muchos viven hoy en circunstancias que los privan de la oportunidad de ver el cielo con la frecuencia suficiente para familiarizarse personalmente con él. Por fortuna existen los telescopios, la fotografía, las computadoras y las sondas espaciales que establecen la diferencia al revelar más del cosmos, con mayor detalle que nunca. Así, la educación científica puede revelar un cielo más rico y variado de lo que hubiera imaginado la gente de otro tiempo.
Encontrar nuestro lugar en el cosmos y cómo llegamos a él es una tarea que se ha planteado en todas la épocas. Los intentos científicos de comprender al Universo son parte de ese imperativo humano, y sus éxitos son un tributo a la curiosidad, inventiva, inteligencia y persistencia humanas.
Al planear lo que los alumnos deben aprender acerca del cielo, hay que tener en cuenta, desde el punto de vista científico en la actualidad, tres aspectos: 1. la composición del cosmos y su escala de espacio y tiempo; 2. las bases sobre las que parece funcionar el Universo, y 3. cómo surgió el concepto moderno de Universo. Los objetivos programáticos en esta sección tratan, principalmente, de la composición y de la escala; los principios se describen en secciones posteriores de este capítulo; en el Capítulo 10 se describirán algunos aspectos de la historia de la perspectiva científica.
Del
nivel preescolar al segundo grado de enseñanza elemental
Durante estos años el aprendizaje de los cuerpos celestes debe ser totalmente empírico y cualitativo, porque a los niños les falta mucho para comprender las magnitudes que intervienen o para comprender cabalmente nuestras explicaciones. Hay que insistir en que los alumnos se percaten y describan cómo ven el cielo en distintas ocasiones. Por ejemplo, deben observar cómo parece que la Luna cambia de forma. Es demasiado pronto, sin embargo, para que aprendan las fases de la Luna y con mayor razón para explicárselas.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Del tercero al quinto grados de enseñanza elemental
Los alumnos deben comenzar a describir la diversidad del Universo. Se les puede enseñar que los planetas son distintos de las estrellas en das aspectos fundamentales: su apariencia y su movimiento. Si se recurre a un telescopio pequeño o a unas binoculares, las estrellas sólo se ven más brillantes, y es posible ver más de ellas. Sin embargo, los planetas más brillantes se ven como discos (no discos muy grandes, a menos que el telescopio sea grande, pero impresionan después de haber visto muchas estrellas.) Se debe aclarar más la ubicación de las estrellas, aunque no es importante aprenderse los nombres de las constelaciones. Cuando los alumnos sepan que la distribución estelar permanece igual, a pesar de que las estrellas cruzan el cielo (y que gradualmente se desplazan durante las estaciones), podrán observar que los planetas cambian de posición comparados con el fondo estelar.
Después de haber visto directamente las estrellas, la Luna y los planetas, se les puede mostrar fotografías de los planetas y sus lunas, y de las constelaciones, para llamar su atención hacia la diversidad de tamaños, apariencias y movimientos. No tiene valor didáctico memorizar los nombres ni contarlos, aunque a algunos alumnos les gustará hacerlo. Tampoco deben dedicar mucho tiempo a tratar de captar bien las escalas de distancias. Respecto de las cantidades de estrellas en el Universo, pocos niños tendrán idea de qué es mil millones; los miles son una meta mejor. (Por cierto, mil millones es más de lo que una persona podría contar en su vida.)
La comprensión de muchas ideas sobre la composición y magnitud del Universo debe darse paulatinamente. Es más, a pesar de su descripción normal, los sistemas heliocéntricos se oponen seriamente a la intuición cotidiana. Los alumnos necesitarán razones contundentes para desechar su concepto geocéntrico. Desafortunadamente, algunas de las mejores razones son sutiles y sólo tienen sentido cuando el nivel escalar es más alto.
Para comprender los fenómenos astronómicos se necesitan algunas ideas acerca de la luz y la visión. Los niños deben aprender, tan pronto como sea posible, que una fuente muy luminosa a gran distancia se ve como una fuente pequeña que esté mucha más cerca. Este fenómeno se debe observar directamente (y de ser posible, con fotografías) en el exterior y de noche. A esta edad se les dificulta el concepto de cómo se ven las cosas mediante su luz reflejada, pero es posible que necesiten aprenderlo para que las fases de la Luna tengan algún sentido.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Del
sexto grado de enseñanza elemental al segundo grado de enseñanza media
Los alumnos deben poner más atención a los asuntos de escala y apoyar su comprensión mediante actividades con instrumentos astronómicos. En este nivel son útiles los mapas celestes, telescopios, simulaciones computarizadas de las órbitas planetarias, o asistir a un planetario. Quizá la actividad más eficaz es construir modelos de tamaños y distancias; por ejemplo, de los planetas dentro del sistema solar. Los modelos tridimensionales son mejores que las figuras y los diagramas. Todos deben hacer un modelo del sistema solar, en el que se use la misma escala para los tamaños de los objetos y para las distancias entre ellos. Este modelo es distinto de la mayor parte de las figuras, porque en ellas las distancias se representan a menor escala, diez o más veces, que los diámetros de los cuerpos.
Para una estimación más precisa de las distancias a la Luna y al Sol ayudarán mucho algunas experiencias acerca de cómo varían las posiciones aparentes de los objetos, de acuerdo con distintos puntos de observación. El cálculo de las distancias mediante dibujos a escala ayudará a los alumnos a comprender cómo se calcularan las distancias a la Luna y al Sol, y por qué las estrellas deben estar mucho más lejos. (Se puede emplear la dependencia del tamaño aparente y la distancia para describir el problema de que las estrellas no parecen cambiar de tamaño de una estación a la siguiente, aunque la Tierra se acerque trescientos millones de kilómetros a ellas.)
No es tan fácil el empleo de los años luz
para expresar las distancias astronómicas. Hay muchos adultos que creen
que los años luz son unidades de tiempo. Será más fácil
comenzar con analogías como "automóviles hora".
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
Ya es tiempo de armar todas las piezas. Los conceptos de física y química, la perspectiva histórica, las deducciones matemáticas y las ideas acerca del papel de la tecnología en la exploración del Universo contribuyen a captar el carácter del cosmos. En particular, debe quedar claro el papel de la fuerza de la gravedad en la formación y conservación de los planetas, estrellas y el sistema solar. Tendrá más significado la escala de los miles de millones, y se puede emplear la velocidad de la luz para expresar las distancias relativas. .
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
Una concepción integrada de la Tierra se desarrolla en muchos años, y algunas ideas deben revisarse constantemente, dentro de nuevos conceptos y con más detalle. Algunos aspectos se aprenden en las materias científicas, otros en geografía; algunos son puramente descriptivos y otros deben basarse en principios físicos. En esta sección los objetivos programáticos complementan los de la sección anterior, que ubican a la Tierra en el cosmos, y los de la sección siguiente -que se concentran en la superficie terrestre-. Este arreglo no implica que haya algún orden particular en la enseñanza. Muchas veces, es preferible mostrar fenómenos a la mano que enseñar los lejanos; por otro lado, a veces el paso de lo cercana a lo lejano, que tiene sentido cognoscitivo, no corresponde al interés de las niños.
El argumento más sólido para que los alumnos
se interesen en el estudio de la Tierra es que lleva años adquirir los
conocimientos necesarios para completar su perspectiva. El cuadro completo necesita
de conceptos como temperatura,
ciclo del agua, fuerza de gravedad, estados de la materia, concentración
de las sustancias y la transferencia de energía. Comprender estos conceptos
es un proceso gradual y se da en la medida en que los niños maduran y
se encuentran con distintos contextos.
En este caso los objetivos programáticos plantean que los alumnos expliquen dos fenómenos: las estaciones y las fases de la Luna, que por lo general no se aprenden bien. La mayoría de los adultos no pueden explicarlos, ni siquiera medianamente. Los profesores les dicen a los alumnos qué es lo que causa las estaciones y las fases de la Luna, y los niños y jóvenes leen acerca de ello sin comprender. Las fases de la Luna se dificultan porque los alumnos no están familiarizados con la geometría de los rayos luminosos. Para ayudarse en geometría, los alumnos pueden manejar relaciones entre Sol, Luna y Tierra, y construir modelos físicos. A los alumnos se les dificultan los conceptos geométricos y de radiación solar, necesitan tener experiencia directa con la luz y las superficies: sombras, reflexión y efectos térmicos a distintos ángulos.
Del nivel preescolar al segundo grado de enseñanza elemental
Hay muchas maneras de familiarizar a los niños con los fenómenos terrestres que sólo después podrán comprender que son cíclicos. Por ejemplo, pueden llevar registros diarios de temperatura (calor, frío, templado) y de precipitación (nada, algo, mucha), para graficarlos semanal, mensual y anualmente. Es suficiente que los alumnos definan el comportamiento de altas y bajas, sin penetrar mucho en la naturaleza del clima. Deben familiarizarse con el congelamiento del agua y la fusión del hielo (sin cambio de peso), con la desaparición de la humedad y la formación de agua en superficies frías. La evaporación y la condensación no se diferenciarán de la "desaparición" y "aparición", hasta que los niños comiencen a comprender que el agua evaporada sigue estando presente en forma de moléculas pequeñas e invisibles.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Durante este periodo los niños pueden conocer algunas de las propiedades de la superficie terrestre, y también sobre la relación entre la Tierra y el Sol, la Luna y los demás planetas. Es bueno contar con películas, simulaciones computarizadas, un planetario y observaciones con telescopio, pero lo esencial es que todos-trabajando en pequeños grupos- construyan modelos físicos y expliquen lo que esos modelos muestran. Al mismo tiempo, los alumnos pueden aprender acerca de las escalas (distancias, volúmenes y tiempos comparativos, etc.) mediante actividades y lecturas interesantes y sencillas; sin embargo, los factores de escala mayores que mil, y hasta la idea de relaciones, podrían dificultárseles.
Un punto importante que se debe destacar es que no es posible determinar cómo es el sistema solar tan sólo viéndolo. Los diagramas muestran cómo se vería el sistema si las personas lo vieran desde lejos, cosa que no se puede hacer. Los telescopios y demás instrumentos sí aportan información, pero realmente se necesita un modelo para que la información tenga sentido. (El darse cuenta de que las personas no pueden ver, desde el exterior, cómo es el sistema solar ayudará a los alumnos a comprender la revolución de Copérnico, cuando después surja este tema.)
Al elaborar diagramas que muestren los tamaños relativos de los planetas y sus distancias al Sol, los alumnos pueden intentar combinarlos en una misma escala, lo cual los hará fracasar rápidamente. Quizá lo anterior dé pie a una descripción de los límites generales que tienen los métodos gráficos, incluyendo la fotografía, para representar la realidad. En cualquier caso, en esta etapa basta un cuadro aproximado de la organización del sistema solar.
Al elaborar diagramas que muestren los tamaños relativos de los planetas y sus distancias al Sol, los alumnos pueden intentar combinarlos en una misma escala, lo cual los hará fracasar rápidamente. Quizá lo anterior dé pie a una descripción de los límites generales que tienen los métodos gráficos, incluyendo la fotografía, para representar la realidad. En cualquier caso, en esta etapa basta un cuadro aproximado la organización del sistema solar. El agua ofrece otro conjunto de experiencias significativas en este nivel. Los alumnos pueden efectuar investigaciones que rebasen las observaciones en los grados anteriores, para comprender la relación entre los estados líquido y sólido, pero reconocer que el agua puede presentarse también en estada gaseoso. Quizás el propósito principal de esta práctica es tratar de imaginarse a dónde va el agua en un recipiente abierto, lo cual ni es evidente ni fácil de descubrir. Pero el ciclo del agua tiene tal importancia en la vida terrestre, que los alumnos deben tener actividades que les permitan comprender la evaporación, la condensación y la conservación de la materia.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Ahora los alumnos pueden consolidar su conocimiento anterior acerca de la Tierra como planeta, agregando más detalles, en especial sobre el clima; pueden tener una idea más clara de la geometría que interviene en la explicación de las estaciones y las fases de la Luna, mejorando su destreza en el manejo de las escalas y modificando su marca de referencia. Una paradoja inevitable de las inmensas escalas es que resulta difícil imaginar que un océano cuya profundidad alcanza los 10 km puede considerarse una capa "relativamente delgada" de la superficie terrestre. Los alumnas deben ejercitar su comprensión de esta paradoja, quizá formulando preguntas provocativas: "¿Es el océano asombrosamente profundo o asombrosamente poco profundo?"
La gravedad, que antes se enseñó como una fuerza que actuaba hacia el piso, ahora puede describirse como si actuara hacia el centro de la Tierra, y como si se propagara indefinidamente por el espacio. Es tiempo también de que los alumnos comiencen a determinar el papel del planeta en el sostenimiento de la vida, lo cual es un tema complicado que precisa la comprensión de otros temas y la satisfacción de muchos objetivos programáticos. En esta sección se dará importancia al agua y al aire como recursos esenciales.
La explicación de la sucesión de las estaciones es una combinación sutil de geometría global y orbital, y de los efectos de la radiación desde distintos ángulos. Los alumnos pueden aprender parte de este tema ya en este nivel, aunque se espera que sólo después completen su imagen.
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
Ahora se pueden relacionar dos líneas importantes de conocimientos de los alumnos, para enriquecer su concepción del entorno físico. Una se refiere a conceptos y principios físicos como energía, gravitación, conservación y radiación, con la idea que los alumnos se han formado acerca del funcionamiento de los planetas. La otra línea es la revolución de Copérnico, que muestra el papel de la tecnología, las matemáticas, la experimentación y la teoría en los grandes avances científicos. Al imaginar cómo se formó el sistema solar, se vinculan la física con la astronomía; también surgen reflexiones filosóficas y políticas.
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
C.
Los procesos que conforman la Tierra
Los alumnos deben aprender las causas de los sismos,
de la actividad volcánica y de las inundaciones, y cómo estos
fenómenos conforman la superficie de la Tierra. Sin embargo, pueden mostrar
más interés en los fenómenos en sí que en la manera
de modificar la superficie. Por consiguiente, los profesores deben partir de
los intereses inmediatos de sus alumnos y encauzarlos hacia los conceptos científicos.
A los alumnos se les dificultará más recordar los efectos menos
obvios, menos dramáticos y de largo plazo que tienen el viento y el agua,
los depósitos anuales de sedimento, la deformación gradual de
los continentes y el surgimiento de las montañas. El que los alumnos
reconozcan esos efectos dependerá de una idea más precisa de los
grandes perlados geológicos y de su familiaridad con el efecto de multiplicar
fracciones diminutas por números inmensos.
Los alumnos pueden comenzar desde los grados elementales con el concepto de
la forma en que los organismos, incluidos ellos mismos, modifican su entorno.
A medida que la humanidad ha usado los recursos terrestres, ha alterado algunos
de los sistemas. Los alumnos pueden llegar, gradualmente. a reconocer cómo
el comportamiento humano afecta la capacidad del planeta para sostener la vida.
Alcanzada esta etapa, generalmente en los grados intermedios, deben proponerse
asuntos de política ambiental, pero hay que discernir bien entre ciencia
por preferencias personales. El razonamiento crítico basado en conceptos
científicos es la meta de la educación científica.
Del
tercero al quinto grados de enseñanza elemental
En estos primeros años no es pertinente enseñar los hechos geológicos relacionados con el cambio de la superficie terrestre. Los alumnos deben comenzar familiarizándose con todos los aspectos de su entorno inmediato, como la forma de cambiar de las cosas y qué es lo que en apariencia provoca dicho cambio. Quizá "las cosas que cambian" deban comprenderse en un apartado donde se incluyan fenómenos que los niños puedan observar y leer. En cierto momento, los alumnos pueden comenzar a razonar e intentar métodos seguros y útiles para cambiar parte de lo que les rodea.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Durante estos años los niños deben acumular más información acerca del ambiente físico, familiarizarse con los detalles de las características geológicas, observar y cartografiar colinas, valles, ríos, etc., sin que la clasificación sea muy complicada. También deben acostumbrarse a emplear lentes de aumento para inspeccionar rocas y suelos. No se trata de que su clasificación sea rigurosa, sino de que noten la diversidad de los componentes.
Deben observarlos procesos que pueden sufrir las rocas: erosión, transporte y depósito. Algunos ejemplos pueden ser cajas de agua y de arena, o recipientes giratorios con piedras. Después pueden relacionar las características con los procesos y deducir explicaciones acerca de cómo se originaron tales características -que siguen cambiando en realidad-. Los alumnos pueden construir aparatos para demostrar cómo el viento y el agua modifican las masas terrestres, y cómo las fuerzas, al actuar sobre los materiales, pueden producir pliegues y fallas. Otras fuentes de conocimientos podrían ser películas del magma volcánico y de expulsión de cenizas.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
En este nivel los alumnos pueden completar ya sus ideas acerca de las características principales de los factores físicos y biológicos que conformaron la faz de la Tierra. Sus conceptos serán todavía descriptivos, porque la teoría tectónica de placas no se presenta sino hasta el nivel medio escolar. Naturalmente, los alumnos deben ver una gran diversidad de paisajes y suelos como sea posible.
Es especialmente importante que comprendan cómo se forman las rocas sedimentarias, en forma periódica, cubriendo los restos de plantas y animales y dejando, así, un registro del arden en que aparecieron y desaparecieron estos organismos. Además de las edades relativas de los lechos rocosos, tiene gran importancia la edad absoluta de estos fósiles, para comprender que ha transcurrido el tiempo suficiente para que las especies hayan evolucionado. El proceso de sedimentación es comprensible y observable, pero a los alumnos se les puede dificultar imaginar los intervalos de tiempo geológico.
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
En esta etapa deben enfatizarse las explicaciones científicas de los fenómenos que los jóvenes han aprendido en forma descriptiva; en ello les ayudarán los conocimientos sobre radiactividad, para comprender cómo se pueden fechar las rocas y apreciar así la escala del tiempo geológico.
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
Con frecuencia, los terremotos se producen a lo largo de los límites entre placas que chocan. Por otro lado, la roca fundida del interior origina una gran presión que puede provocar erupciones volcánicas. Bajo las cuencas oceánicas la roca fundida puede ascender entre placas en separación, para crear nuevo piso oceánico. La actividad volcánica a lo largo del lecho oceánico puede formar montañas submarinas que, eventualmente, podrían transformarse en islas.
D.
La estructura de la materia
Esta sección podría ser decisiva para que los alumnos comprendieran el esbozo que la ciencia propone sobre la forma en que funciona el mundo. Sin embargo, también podrían surgir algunas dificultades. La teoría atómica explica muchos fenómenos de una manera poderosa, pero requiere la imaginación del alumno y de que sepa vincular otros conocimientos ya adquiridos. Los alumnos deben conocer ya las propiedades de los materiales y sus combinaciones, los cambios de estado, los efectos de la temperatura, el comportamiento de grandes conjuntos, la formación de cuerpos a partir de partes y hasta el deseo de cantar con explicaciones convincentes y "elegantes". Todos estos elementos se deben introducir en la enseñanza media, para que el concepto unificador de los átomos surja al terminar el octavo grado.
La comprensión científica de los átomos
y las moléculas requiere de das ideas muy relacionadas: 1. que todas
las sustancias están formadas por partículas invisibles, y 2.
que todas las sustancias están formadas por una cantidad limitada de
ingredientes básicos o "elementos". Estos dos conceptos sugieren
la idea de que las partículas de los ingredientes básicos que
se combinan de modo diferente originan los millones de sustancias que se conocen,
cuyas propiedades son distintas.
Con frecuencia los alumnos tienen la idea, incorrecta, de que los átomos
tan sólo llenan la materia, y no la idea correcta que los átomos
son la materia. A los alumnos de enseñanza media también se les
dificulta el concepto de que los átomos se encuentran en movimiento continuo.
Es necesario entonces que los estudiantes se esfuercen en comprender estos conceptos
para que el poder explicativo de la teoría atómica tenga sentido.
En este caso la estrategia consiste en describir gradualmente la complejidad de los átomos partiendo de las pruebas y las explicaciones procedentes de varios campos: primero, los alumnos aprenden la noción de que los átomos forman objetos y que no tan sólo ocupan un espacio en su interior, a continuación éstos se presentan en forma de conjuntos cristalinos y moléculas. Al comprender esto se encuentran en posibilidad de imaginar la forma en la que las moléculas y los cristales forman la materia tangible. Sólo entonces se debe emprender el estudio de la estructura interna de los átomos.
Es muy tentador presentar la teoría atómica y molecular en los primeros grados, pero la mayoría de los alumnos no están listos para comprenderla sino hasta la adolescencia. Es cierto que la comprensión de esta teoría es fundamental para gran parte de la explicación científica moderna, pero resulta inútil enseñarla tempranamente. El pequeñísimo tamaño de un átomo y las cantidades abrumadoras que hay, en un minúsculo grano de arena quedan incluso muy alejadas de la experiencia de los adultos. El pretender que los alumnos entiendan los nombres de cosas invisibles y de sus partes constituyentes, es contraproducente, pues las ideas concretas deben originarse antes de las explicaciones abstractas. Los alumnos necesitan familiarizarse con las propiedades físicas y químicas de diversos materiales, antes de tratar de comprender las teorías que las explican.
Parece no haber una forma gradual y consistente para
relacionar los términos de átomo, molécula, ion, polímero
y cristal. Sin embargo, con el paso del tiempo se adquiere la facilidad para
manejarlos. Tampoco debe apresurarse a los alumnos a discutir la teoría
nuclear debido a su alto grado de abstracción. La vacuidad del átomo
y su equilibrio eléctrico, los isótopos, el decaimiento y la radiación
constituyen un reto al intelecto humano. La preparación para la comprensión
de esos conceptos se debe desarrollar durante varios años, para que los
alumnos de enseñanza medía puedan manejarlos con relativa facilidad.
Del nivel preescolar al segundo grado de enseñanza elemental
Los niños deben examinar y usar una gran variedad
de objetos y clasificarlos de acuerdo con sus propiedades inherentes. Los materiales
a utilizar deben ser susceptibles de procesos como mezcla, calentamiento, congelamiento,
corte, humectación, disolución, doblez y exposición a la
luz, para que se puedan observar cómo cambian. Aun cuando es muy pronto
para esperar informes precisos, se les debe animar para que describan cómo
se comportaron los materiales que usaron.
También los niños deben adquirir gran destreza en la construcción
de objetos a partir de sus partes, como en los mecanos, para después
desarmarlos y volverlos a armar. Deben comenzar a captar cómo difieren
las propiedades de los objetos de materiales que están hechos. Y por
último, deben comenzar a inspeccionar las cosas con un vidrio de aumento,
para darse cuenta de que hay cosas que no se pueden ver sin esa ayuda.
Debe continuarse el estudio sistemático y cuantitativo de los materiales. Los alumnos deben diseñar y construir objetos de distintos materiales, redactar descripciones acerca de sus diseños y experimentos, representar sus hallazgos en tablas y gráficas (diseñadas por los mismos alumnos y con ayuda del profesor) y, en la medida de lo posible, ingresar sus datos en una computadora.
Se pueden describir objetos y materiales empleando propiedades menos evidentes, como la conducción de calor y electricidad, la flotabilidad, el magnetismo, la solubilidad y la transparencia. Los alumnos deben medir y calcular tamaños, capacidades y pesos. Si los más pequeños no pueden sentir el peso de un objeto tal vez podrían pensar que éste no pesa. Hay muchos experimentos de pesaje que pueden ayudar, pesar por ejemplo conjuntos de cosas pequeñas y dividir el resultado para determinar el peso de cada una; si es posible, deben emplearse balanzas cada vez más precisas. Para los alumnos del nivel elemental no es tan claro que el total pese lo mismo que la suma de sus partes. Esta noción precede al principio de conservación, según el cual el peso no cambia no obstante los cambios radicales en otras propiedades, siempre y cuando se tengan en cuenta todas las partes, incluyendo los gases invisibles.
Con lentes de aumento los alumnos deben examinar sustancias formadas por grandes conjuntos de partículas, como la sal común y el polvo de talco, y descubrir los inesperados detalles que surgen a pequeña escala. También deben observar y describir el comportamiento de grandes conjuntos de partes, como polvos, canicas, cubos de azúcar o pedazos de madera (por ejemplo, que se puedan verter de un recipiente) para darse cuenta de que los conjuntos pueden tener propiedades nuevas, que sus partes no tienen.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Durante este periodo es difícil comprender la estructura de la materia. Históricamente, muchas pruebas y deducciones que condujeron a la teoría atómica y molecular fueron complicadas y abstractas. También en los planes de estudios tradicionales se han presentado ideas en verdad difíciles a niños, antes que la mayoría tuviera posibilidad de comprenderlas. Probablemente en este nivel no sea de gran provecho la ley de las propiedades definidas, en las combinaciones químicas, tan obvia cuando se comprenden bien los átomos y las proporciones. El comportamiento de los gases, su compresibilidad y su capacidad para expandirse con la temperatura pueden investigarse y explicarse cualitativamente, pero es probable que las matemáticas de las leyes cuantitativas de los gases confundan a los alumnos más que ayudarlos. Cuando comienzan a comprender los átomos, no pueden diferenciar con certeza átomos y moléculas, ni diferenciar lo que depende de ellos, como elementos, mezclas y compuestos, o entre cambios químicos y físicos. Es más importante comprender cómo suceden las cosas en el nivel atómico, la formación y rompimiento de enlaces, que memorizar definiciones oficiales (que de todos modos no están bien claras en la química moderna). Naturalmente que se pueden memorizar definiciones sin comprenderlas en absoluto.
No es necesario pasar en este nivel a los detalles de la estructura del átomo; se aconseja esperar. Al finalizar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben tener claro que muchos fenómenos pueden explicarse mediante arreglos distintos de la inmensa cantidad de partes diminutas, invisibles y en movimiento. En este punto no se señalarán las diferencias posibles en los átomos del mismo elemento. Históricamente, la naturaleza idéntica de los átomos del mismo elemento fue una hipótesis de la teoría atómica durante un tiempo muy largo.
Después, cuando se presenten los isótopos para explicar otras observaciones, esto será una sorpresa, y muy aleccionador sobre la forma en que avanza la ciencia. Enseñar simultáneamente la variedad de átomos y la noción de su identidad parece ser demasiado confuso para la mayoría de los alumnos.
Para lograr este objetivo los niños deben familiarizarse con las características de los distintos estados de la materia y las transiciones entre éstos. Lo más importante es que los alumnos vean muchos ejemplos de reacciones (sustancias que interactúan con otras para formar a su vez nuevas sustancias, con propiedades muy distintas a las de los reactivos). Pueden comenzar, a continuación, a conocer los fundamentos de la teoría atómica y molecular, y captar que el valor de la noción del átomo reside en las explicaciones que ofrece una gran diversidad de comportamientos de la materia. Cada aspecto nuevo de la teoría debe desarrollarse como una explicación de algún fenómeno observado y ya bien dominado, antes de pasar al siguiente.
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
Hay grupos de elementos que tienen propiedades semejantes, como los metales muy reactivos, los menos reactivos, los no metales muy reactivos (cloro, flúor y oxígeno) y algunos gases casi totalmente no reactivos, como el neón y el helio. Un tipo de reacción de gran importancia es el que implica la combinación del oxígeno con otra sustancia, como en la combustión o la oxidación. Hay elementos que no entran en ninguna de estas categorías, como el carbono y el hidrógeno, que son constituyentes esenciales de la materia viva.
En esta etapa es decisivo comprender la "arquitectura" general del átomo y cómo precisamente las estructuras del átomo determinan las propiedades de los materiales. Habiendo aprendido ya que todos los átomos de un elemento son idénticos, y distintos de los átomos de los demás elementos, los jóvenes entenderán que algunos átomos del mismo elemento pueden ser distintos. Este descubrimiento es a la vez oportunidad y complicación; el conocimiento científico avanza mediante modificaciones, a veces radicales, de las teorías anteriores. A veces se han hecho progresos desdeñando pequeñas inconsistencias, para después avanzar más teniendo en cuenta tales inconsistencias.
Al principio los alumnos pensarán que los isótopos son algo aparte de los átomos. Las propiedades más importantes de los isótopos, desde el punto de vista de la educación científica, son su comportamiento químico casi idéntico y sus distintas estabilidades nucleares. Probablemente no valga la pena insistir sobre el empleo riguroso de las palabras isótopo y núclido, y se puede omitir este último término.
El concepto de vida media requiere que los alumnos comprendan qué son las relaciones y la multiplicación de fracciones, y que realicen con soltura cálculos de probabilidad. Para ayudarse a dominar la idea de cómo la velocidad proporcional de decaimiento es consistente con las mediciones cada vez menores, pueden participar en juegos con simulaciones computarizadas y comprender que los valores sólo se acercan gradualmente a cero. Para la mayoría de los jóvenes no es adecuado presentarles las matemáticas de la inferencia inversa, partiendo de las mediciones para calcular la edad. Sólo necesitan saber que esos cálculos se pueden llevar a cabo.
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
La energía es un concepto misterioso, aun cuando se puedan definir y medir con exactitud sus diversas manifestaciones. De manera muy simple los niños pueden imaginarse que la energía es algo necesario para hacer que las cosas se muevan, corran o sucedan. Pero tienen dificultades para distinguir las necesidades energéticas de otras necesidades; las plantas necesitan el agua para vivir y crecer; los automóviles necesitan agua, aceite y neumáticos; las personas necesitan dormir, etc. En general, es probable que las personas piensen que la energía es algo como una sustancia, que fluye y se conserva de modo parecido al de la materia. Esto no es correcto pero puede considerarse una analogía aceptable. Aunque el conocimiento de la energía no la hace menos misteriosa, vale la pena tratar de comprenderla, pues es difícil seguir una gran variedad de explicaciones científicas sin ciertos conceptos de lo que es la energía.
La energía es una excepción al principio de que los alumnos deben comprender las ideas antes de suministrárseles las etiquetas correspondientes. Los niños aprovechan mejor si hablan acerca de la energía antes de poder definirla. Las ideas sobre la energía, que encontrarán fuera de la escuela (por ejemplo, al consumir "energía rápida" en forma de un caramelo, o al apagar un foco para no "desperdiciar energía"), pueden ser vagas pero son razonablemente consistentes con los conceptos que deseamos que aprendan.
Hay tres ideas relacionadas con la energía que pueden ser más importantes que el concepto mismo de energía. Una es la transformación de energía. En todos los procesos físicos interviene la transferencia de energía o el cambio de una forma a otra, como la energía radiante en eléctrica, la química en mecánica, etc. La segunda idea es la conservación de la energía. Siempre que se reduce la energía en un lugar, aumenta en algún otro, exactamente en la misma cantidad. Una tercera idea es que siempre que hay una transformación de energía es probable que algo de ella se transforme en calor, que se disipa en los alrededores y ya no se puede usar.
La misma energía térmica es un concepto algo difícil para los alumnos, quienes la confunden casi siempre con el concepto de temperatura. Se necesitan muchas explicaciones para diferenciarlos bien, y a esa diferencia entre calor y temperatura puede agregarse la que hay entre masa y peso, entre velocidad y aceleración, y entre potencia y energía. Como la energía térmica disipada posee menor temperatura, la confusión del alumno entre calor y temperatura los conduce a inferir que la cantidad de energía se ha reducido. Por otro lado, el concepto que algunos alumnos tienen de que la energía térmica disipada se ha "agotado" o "gastado" se aproxima a la verdad.
La natación de la energía potencial sigue siendo útil, sin embargo, en algunos casos en los que puede presentarse el movimiento, por ejemplo, la energía gravitacional del agua tras de la cortina de una presa, la energía mecánica en una trampa de ratones o la energía química en acumulador o en una molécula de azúcar.
Se considera que el trabajo, en el sentido empleado en
física, es indispensable para manejar los conceptos de energía.
Los objetivos de los programas básicos proponen no emplear la definición
técnica de trabajo, porque se le confunde con la acepción cotidiana
de la palabra. El cálculo del trabajo, como fuerza por distancia, no
es necesario para comprender muchas ideas importantes acerca de la energía.
Al correr uno se siente cansado, al frotarse las manos se calientan y al salir
del agua se siente frío.
Los alumnos de más edad captan estos conceptos en forma general, pero
puede que no los comprendan cabalmente. Para los alumnos menores puede bastar,
al principio, convencerlos de que se necesita la energía para hacer que
las cosas físicas sucedan, y que deben adquirir el hábito de pensar
de dónde provino esa energía. Después, cuando estudien
los sistemas físicos, químicos y biológicos, se presentarán
muchas oportunidades para observar las diversas manifestaciones de la energía,
y comprender la importancia de este concepto.
Los profesores deben decidir lo que es una "comprensión suficiente" de la energía, sus transformaciones y su conservación. Como indican los objetivos de Ciencia Conocimiento para todos, las aproximaciones cualitativas son más importantes y deben tener prioridad. Se puede invertir mucho tiempo en lograr que los alumnos memoricen las definiciones de calor, temperatura, sistema, transformación, entropía y cosas por el estilo, sin que comprendan bien a bien lo que son.
Del
nivel preescolar al segundo grado de enseñanza elemental
En estos primeros años no se debe presentar la energía como un concepto científico. Es correcto que los niños empleen la palabra energía para indicar cuánta fuerza o vigor tienen porque no se incurre en ningún error. Al final del segundo grado de enseñanza elemental los niños deben estar familiarizados con la diversidad de formas en que se manifiesta la energía y deben reflexionar acerca de:
"¿qué hace funcionar a esto?". Una vez aprendido que las baterías se agotan y que los automóviles queman gasolina, se les puede decir que apagar el radio o usar menos el auto es para "ahorrar pilas" y "ahorrar gasolina." La idea que comprenden a esta edad es que para hacer que algo funcione se necesita algún recurso. Se gana poco si se hace que los niños contesten energía.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
El concepto formal de energía puede posponerse
aún. Después de todo, la importancia de la energía radica
en que es un concepto útil. Ayuda a comprender un sinfín de fenómenos
que suceden en el mundo físico, biológico y técnico. Pero
hasta que los alumnos no hayan alcanzado cierta comprensión detallada
del mundo, no se beneficiarán de estos conceptos formales.
Una manifestación de la energía que los alumnos de esta edad pueden
entender es el calor, que se produce casi donde quiera. En sus actividades de
ciencia y tecnología, durante estos años, debe pedirse a los niños
que se fijen en cosas y procesos que emiten calor, como focos, aparatos de radio
y televisión, el Sol, cortar madera, pulir superficies, doblar cosas,
hacer trabajar motores, las personas o los animales cuando corren, etc., para
después fijarse en lo que no emite calor. También es tiempo de
explorar cómo se difunde el calor de un lugar a otro, y lo que se puede
hacer para "guardarlo" o para proteger las cosas de sus efectos.
Las ideas que los alumnos tienen acerca del calor son deficientes. En algunos casos se cree que el frío es lo transferido, y no el calor. Se piensa que algunos materiales son intrínsecamente calientes (las cobijas) o fríos (los metales). Se puede creer que los objetos que mantienen calientes las cosas, como un suéter o guantes, son fuentes de calor. Sólo mediante explicaciones y experimentos adecuados se pueden desechar tales conceptos.
Al finalizar esta etapa no es obligatorio que los alumnos comprendan ya lo que es el calor, o su diferencia con la temperatura. En este aspecto, se gana poco si se trata de que los niños digan energía térmica; es más importante que se familiaricen con el calentamiento de objetos que están más fríos que sus alrededores, o al contrario, el enfriamiento de objetos más calientes. Hay programas de cómputo con representaciones gráficas que muestran cambios pequeños de temperatura y los grafícan; los alumnos pueden emplearlos para examinar los casos del intercambio de calor. Como muchos alumnos piensan que el frío es una sustancia que se transfiere, como el calor, puede ser útil tratar de traducir las descripciones de "transferencia de frío" en términos de transferencia de calor.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
En esta etapa debe presentarse la energía principalmente como transformaciones de energía. Se debe repasar de dónde proviene la energía y a dónde va, con ejemplos donde haya distintas formas de energía: calorífica, luminosa, cinética, química, y de materiales elásticos deformados. Para cambiar la rapidez de algo, para doblar o estirar las cosas, para calentarlas o enfriarlas, para ponerlas juntas o romperlas, siempre se necesita transferir energía y, a veces, transformarla.
Al principio puede haber cierta confusión en los alumnos entre energía y fuentes de energía. Si se enfoca uno a las transformaciones de energía se puede rodear algo el asunto. Los alimentos, la gasolina y las pilas se consumen, obviamente; pero la energía que contienen no desaparece sino que se transforma en otros tipos.
La idea más elemental es que la energía necesaria para un evento debe provenir de algo. Esto debe suscitar el interés del alumno en preguntar de dónde proviene la energía y, después, preguntar a dónde va. Casi siempre es mucho más evidente explicar de dónde proviene, porque se difunde algo de ella en forma de radiación y de movimiento molecular.
Una proposición un poco más complicada es la que afirma: siempre que algo de energía aparece en un lugar se encontrará que algo de energía desaparece de otro. Al final, el concepto semicuantitativo de energía puede volverse cuantitativo: si podemos seguir la huella de cuánta energía de cada clase aumenta o disminuye, veremos que siempre que disminuye la energía en un lugar aumenta en otro exactamente en la misma cantidad. El enunciado completo de la conservación -la energía no se puede crear ni destruir- puede ser más intuitivo que la abstracción de una energía constante dentro de un sistema aislado. El concepto cuantitativo de cantidades iguales debe esperar, probablemente, hasta la enseñanza media.
La convección no es un medio independiente de transferencia de calor sino más bien una ayuda a la transferencia de calor por conducción y radiación. Las corrientes de convección se forman espontáneamente cuando las diferencias de densidad causadas por el calentamiento (conducción y radiación) sienten el efecto del campo gravitacional. (Aunque no en las estaciones espaciales, a menos que se encuentren girando.) Pero estas sutilezas todavía no son adecuadas para la mayoría de los egresados del segundo grado del nivel medio.
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
La energía se manifiesta en diversas formas. La energía térmica se encuentra en el movimiento desordenado de las moléculas, la química está en el arreglo de los átomos, la mecánica se encuentra en los cuerpos en movimiento o en cuerpos elásticos deformados, la energía gravitacional está en las masas separadas que se atraen mutuamente.
Los conceptos adquiridos en los grados anteriores deben ampliarse ahora a los campos nuclear y de los organismos vivos. El repaso del concepto de energía en nuevos contextos da oportunidad de mejorar la comprensión de lo básico.
Hay otros dos conceptos principales que, sin recurrir a las matemáticas, ameritan presentarse durante estos años. Uno de ellos es que la cantidad total de energía disponible para transformaciones útiles casi siempre decrece; el otro es que los cambios de energía a escala atómica se dan sólo en forma de saltos discretos. El primero no es difícil que los alumnos lo capten, porque pueden sentirlo en muchos modos, en una gran variedad de actividades que emiten calor. Probablemente lo que debe subrayarse son las consecuencias prácticas de la pérdida de energía útil en forma de disipación calorífica.
Por otro lado, la noción de que los cambios energéticos en los átomos sólo pueden suceder en cantidades discretas es nueva y difícil de demostrar. Algunas pruebas de este hecho deben presentarse, pero no con gran detalle. El fenómeno más fácil de explicar (que también es uno de los motivos más importantes para incluir a los saltos cuánticos en la instrucción) es el de los colores discretos de la luz emitida por átomos separados, como en los focos de vapor de sodio o de mercurio. Otra de las razones para presentarles a los alumnos el concepto cuántico es que ejemplifica que en la ciencia a veces es útil inventar ideas contrarias a nuestra intuición y experiencia.
Una de las aplicaciones importantes de la relación entre átomo y energía es llamar la atención de los jóvenes hacia las cantidades discretas de energías que emiten o absorben átomos distintos, lo cual permite identificarlos en la Tierra, en el Sol y hasta en la lejanía del Universo. Éste es un buen ejemplo del principio de que "las reglas son las mismas dondequiera".
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
La energía térmica de un material se debe a los movimientos desordenados de sus átomos o moléculas. En todas las interacciones de átomos o moléculas, las probabilidades estadísticas indican que terminarán con menos orden que cuando comenzaron, esto es, con la energía térmica repartida con mayor uniformidad. Como las cantidades de átomos o moléculas son gigantescas, el mayor desorden es casi una certeza.
Nada está en reposo en cl Universo. El concepto de movimiento es fundamental para comprender el mundo físico, al igual que las nociones de materia y energía. De acuerdo con la organización de Ciencia: Conocimiento para todos, los objetivos relativos al movimiento abarcan una amplia gama de temas, desde el movimiento de los objetos hasta las vibraciones y el comportamiento ondulatorio. El movimiento giratorio, no obstante su interés, impone dificultades mayores a los alumnos, y no se incluye en los programas.
Los objetivos programáticos para comprender el movimiento de los objetos y las pautas repetitivas del movimiento no requieren el empleo de ecuaciones. Para fines de ilustración científica, basta una comprensión cualitativa. Las ecuaciones pueden aclarar las relaciones cuando los alumnos tienen más soltura en matemáticas, pero para muchos otros son difíciles y pueden esconder las ideas en vez de aclararías. Por ejemplo, casi todos los alumnos advierten que el efecto de una fuerza sobre el movimiento de un objeto será mayor si la fuerza es mayor, y menor si dicho objeto posee mayor masa; aparentemente es mucho más difícil aprender que a = F/m (aunque a muchos profesores les parezca lo mismo).
Las leyes de Newton (leí movimiento son fáciles de enunciar y a veces los profesores se equivocan al creer que si el alumno las recita en forma correcta, entonces las comprende. El hecho de que, históricamente, pasara tanto tiempo para enunciar las leyes del movimiento es un indicio de que no son verdades evidentes por sí mismas, independientemente de lo obvio que nos parezcan una vez que las hemos comprendido. En los últimos años se ha demostrado, mediante muchas investigaciones, que a los alumnos se les dificulta sistemáticamente relacionar las ideas formales de movimiento y fuerza con sus conceptos personales de cómo funciona el mundo; los principales obstáculos son los siguientes:
Una idea "lógica" y difícil de superar es la de que el movimiento sostenido requiere una fuerza sostenida. La noción contraria de que se requiere una fuerza para cambiar el movimiento de un objeto, que algo en movimiento se debe mover eternamente en línea recta sin detenerse, a menos que una fuerza obre sobre él, es contraria a lo que nuestra experiencia nos enseña.
Las limitaciones para describir el movimiento obstaculizan la comprensión del efecto de las fuerzas. Los alumnos de todas las edades tienden a pensar en términos de movimiento o reposo. Así, lo primero será ayudarlos a dividir la categoría movimiento en movimiento uniforme, acelerado y desacelerado. Por ejemplo, se debe describir que los objetos que caen lo hacen más y más rápidamente, y no decir tan sólo que caen. Como dijimos antes, la idea básica de la segunda ley de Newton no es difícil de captar, pero el vocabulario puede ser un estorbo si los alumnos tienen que batallar con el significado de fuerza y aceleración. Ambos términos son polisémicos en el lenguaje cotidiano y, tal vez por eso, confunden su empleo especializado en las ciencias.
Al igual que la inercia, el principio de que la acción es igual a la reacción va contra la intuición. Se comprende cuando uno oye decir que un libro oprime la mesa, pero cuando se dice que la mesa empuja el libro hacia arriba exactamente con la misma fuerza, y que ésta desaparece tan pronto como se levanta el libro, parece un error aunque se esté viendo.
¿Qué se debe hacer? Los alumnos deben tener muchas experiencias para conformar su intuición del movimiento y las fuerzas, mucho antes de confrontarlas con las leyes. Se aconseja la experimentación y la discusión de lo que sucede cuando las superficies son más elásticas o más libres de la fricción.
Cuando sólo se describen, las vibraciones no presentan más problemas que cierta confusión originada por la palabra rapidez, que en inglés se emplea para indicar la frecuencia y la velocidad. ¿La cuerda de una guitarra se mueve rápidamente (mil veces por segundo) o lentamente (unos 25 km por hora)? Igualmente, ¿la rotación de la Tierra es lenta (una vez al día) o rápida (1 600 km por hora en el Ecuador)? En el tema del movimiento las vibraciones se pueden aprovechar para presentar las ideas de frecuencia y amplitud. Como hay tantos ejemplos de sistemas vibratorios, los alumnos verán con facilidad que la vibración es un modo frecuente de movimiento de las cosas, y captarán que la frecuencia es una medida de tal movimiento.
Por otro lado, las ondas son un desafío mayor. Las ondas superficiales en el agua exhiben muchas peculiaridades del movimiento ondulatorio, también se pueden emplear cuerdas y resortes para mostrar algunas propiedades de las ondas. Sin que necesariamente hayan pasado por la escuela, los jóvenes se dan cuenta de que existen muchos tipos de ondas: de radio, rayos x, de radar, microondas, de sonido, radiación ultravioleta y otras más. Pero pueden seguir sin conocer lo que son esas cosas, cómo se relacionan entre sí, qué tienen que ver con el movimiento o en qué sentido eso que ellos llaman ondas se relaciona con el empleado en física.
Del nivel preescolar al segundo grado de enseñanza elemental
Desde el principio los niños deben ver, describir y discutir acerca de todo lo que esté en movimiento: ellos mismos, insectos, aves, árboles, puertas, la lluvia, ventiladores, oscilaciones, pelotas, carritos, estrellas, etc.; deben tomar notas, dibujar las trayectorias que muestren el movimiento y preguntar: ¿se mueven recto?, ¿es rápido o lento su movimiento?, ¿cómo se puede definir ¿de cuántas maneras se mueve una planta que crece? A esta edad las preguntas cuentan más que las respuestas. Y los alumnos deben adquirir diversas experiencias para hacer que las cosas se muevan o no se muevan, y para cambiar la dirección o velocidad de objetos que ya estén en movimiento.
Desde su primer día en la escuela, es posible que los alumnos comiencen con una actividad musical; la música ofrece la oportunidad de presentar las vibraciones como fenómeno más que como teoría. Con los tambores, campanas e instrumentos de cuerda que usen, incluyendo sus propias voces, podrán sentir las vibraciones al mismo tiempo que oyen los sonidos. Estas experiencias son importantes por sí mismas, y en esta edad no necesitan mayor complicación.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Los alumnos deben continuar describiendo movimientos. También pueden, a medida que mejoran su habilidad para medir, ser más precisos en sus resultados cuantitativos. Calcular la velocidad de objetos rápidos y lentos puede ser un desafío al que los alumnos responderán con entusiasmo. También pueden deducir por sí mismos algunas de las relaciones generales entre la fuerza y el cambio de movimiento, e internalizar la noción de fuerza como un empujón o un tirón de un objeto sobre otro, sean ligas elásticas, imanes o explosiones.
También deben aumentar los ejemplos de movimiento periódico y quizás inventar modos de medir distintas frecuencias de vibración. Deben usar prismas, para ver que la luz blanca produce todo un arco iris. La idea de que la luz blanca está "formada" por diversos colores es difícil, y debe diferirse. Sin embargo, no se gana nada en esta etapa si se relaciona la luz con el movimiento ondulatorio.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental los alumnos deben saber que:
Ahora la relación entre fuerza y movimiento se puede desarrollar más completamente y también es posible dirigir la atención al difícil concepto de inercia. Los alumnos comprenden sin dificultad que un objeto en reposo permanece así hasta que obre en él una fuerza; lo ven todos los días. La noción difícil es la de que un objeto en movimiento continúe moviéndose imperturbable, a menos que una fuerza actúe sobre él. Si se les dice a los alumnos que no hagan caso de lo que ven, no dará resultado; las cosas que les rodean sí parecen desacelerar su movimiento, por sí mismas, a menos que se les empuje o se les jale. Mientras más experiencias tengan los alumnos del efecto de reducir la fricción, se les facilitará más imaginarse el caso de la fricción igual a cero.
Es tiempo también de que aprendan algunas propiedades de las ondas, usando estanques de agua, cuerdas y resortes; pon separado, pueden aprenden acerca del espectro electromagnético, incluyendo la afirmación de que está formado por radiaciones ondulatorias. Debe subrayarse la importancia de la longitud de onda y los cálculos que se efectúen deben ser muy simples.
Al terminar el segundo grado de enseñanza media los alumnos deben saber que:
En esta etapa los alumnos aprenden el movimiento relativo, el principio de acción y reacción, el comportamiento ondulatorio, la interacción entre ondas y materia, el efecto Doppler - que hoy se aprovecha en las observaciones meteorológicas y en el "corrimiento hacia el rojo"- evidencia de la expansión del Universo. El movimiento relativo es divertido; los alumnos encuentran interesante calcular sus velocidades en distintos marcos de referencia, y hay muchas actividades y películas que ilustran este principio. El aprendizaje de este concepto tiene importancia per se, y también por lo que respecta al cambio de los marcos de referencia en la revolución de Copérnico, así como en la relatividad especial.
También en este nivel es adecuado mostrar la utilidad de las matemáticas. Una vez que los alumnos se han convencido de que el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza aplicada, la matemática confirma que cuando F = O, no hay cambio de movimiento. (Así, la primera ley de Newton sólo es un caso especial de la segunda.) Los alumnos pueden pasar de una comprensión cualitativa de la relación entre fuerza y masa (a mayor fuerza, mayor cambio en el movimiento) a una más cuantitativa (el cambio de movimiento es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa). Experimentalmente, pueden aprender que el cambio en el movimiento de un objeto es proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a la masa.
Los alumnos deben llegar a comprender cuantitativamente que 1. al duplicar la fuerza sobre un objeto de masa determinada, se duplica el efecto de esa fuerza, si la fuerza se triplica, el efecto se triplica, y así sucesivamente, y que 2. si el efecto de determinada fuerza sobre un objeto es igual a la unidad, será la mitad si el objeto tiene doble masa, y un tercio si tiene tres veces la masa, etc. Esto no significa que los alumnos deban resolver muchos problemas numéricos.
El principio cualitativo también se aplica a las ondas. Una relación tan sencilla como velocidad = longitud de onda x frecuencia presenta dificultades a muchos alumnos. Lo deseable es que los alumnos desarrollen nociones semicuantitativas acerca de las ondas; por ejemplo, que las mayores frecuencias tienen longitudes de onda menores, o que las longitudes de onda mayores tienden a rodear más los obstáculos.
El efecto de la longitud de onda sobre el modo de interactuar entre ondas y materia se puede presentar mediante fenómenos de interés intrínseco, como el azul del cielo y el rojo del ocaso, resultado de que la luz de longitud de onda corta se dispersa más en la atmósfera, o el color del pasto, debido a la absorción de luz de longitudes de onda cortas y largas, y al mismo tiempo reflejar el verde del intermedio. Las ondas electromagnéticas de diversas longitudes de onda tienen distintos efectos sobre los seres humanos. Algunas pasan a través del organismo, sin grandes efectos, y otras broncean o dañan la piel, y otras más son absorbidas de modo distinto por los órganos internos (a veces dañando sus Células).
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
G.
Las fuerzas de la naturaleza
Durante los primeros años de la escuela la fuerza puede describirse como algo capaz de producir movimiento; la explicación formal de qué es la fuerza puede diferirse. Pero la fuerza entre un bat y una bola tiene un origen totalmente distinto que la que hay entre la Tierra y la Luna. Para ayudar a que los alumnos amplíen su comprensión de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, el énfasis debe dirigirse hacia las fuerzas gravitacional y electromagnética.
Basta la idea general de la gravitación universal y lo débil que es ésta en comparación con otras fuerzas. No ayuda mucho resolver problemas numéricos pues probablemente con ello se atrasen muchos alumnos; las operaciones aritméticas no son difíciles pero las unidades les parecen confusas. Una paradoja para los alumnos es lo débil que es la gravedad en comparación con las fuerzas eléctrica y magnética. La gravedad sólo se vuelve significativa cuando entran en juego masas muy grandes, como la de un estudiante y la Tierra. La fuerza gravitacional puede parecer enorme cuando se le compara con la magnitud de la fuerza eléctrica que ejerce el peine seco sobre el cabello, al peinarlo. Pero se puede hacer que consideren lo contrario: que se necesita toda la Tierra para que la gravedad atraiga hacia abajo un cabello, mientras que sólo basta con una carga eléctrica pequeña para levantarlo, venciendo así la fuerza de gravedad.
También se deben describir fuerzas eléctricas y magnéticas, y la relación entre éstas. Se pueden presentar los campos pero sólo en forma intuitiva. Lo más importante es que los alumnos adquieran una noción de los campos de fuerza eléctricos y magnéticos, y también del gravitatorio, y algunas relaciones sencillas entre los imanes y las corrientes eléctricas. Las reglas de direcciones o sentidos tienen poca importancia en esta etapa. El énfasis debe ponerse en que condiciones producen un campo magnético y cuáles una corriente eléctrica. Los diagramas de los campos eléctricos y magnéticos suelen inducir a algunas ideas erróneas acerca de las 'líneas de fuerza", en especial la de que la fuerza sólo existe a lo largo de esas líneas. Los alumnos deben reconocer que las líneas sólo se emplean para indicar la dirección del campo.
Del nivel preescolar
al segundo grado de enseñanza elemental
Durante esta etapa hay que hacer hincapié en el movimiento, y se debe animar a los niños a observar cuándo y cómo las cosas parecen moverse o no moverse. Deben observar el movimiento donde quiera, hacer listas de tipos de movimiento y de las cosas que se muevan así. Aun en los primeros años los niños deben usar para mover objetos sin tocarlos, y aprender de este modo que hay fuerzas s de actuar a distancia, sin materia entre la fuerza y el objeto.
Al terminar el segundo grado de enseñanza elemental niños deben saber que:
Del
tercero al quinto grados de enseñanza elemental
En esta etapa, es importante que
comprendan que las fuerzas pueden actuar a distancia. Los alumnos deben llevar
a cabo investigaciones, para familiarizarse empuje y jalón de los imanes,
y con la electricidad estática. El término gravedad puede estorbar
la comprensión del alumno, porque muchas veces se usa como etiqueta de
la vieja y extendida noción del "movimiento natural" hacia
la Tierra. Lo importante es que la Tierra tira de los objetos.
Al terminar el quinto grado de enseñanza elemental
los alumnos deben saber que:
Ya se puede generalizar el concepto de gravedad, que hasta ahora sólo se consideraba algo que sucedía cerca de la superficie terrestre, para extrapolarse a cualquier objeto en cualquier lugar del Universo. Será fundamental alguna demostración - en el laboratorio, con una película o vídeo- de la fuerza gravitacional entre los objetos, para desechar la noción intuitiva de que las cosas caen tan sólo por naturaleza. Los alumnos deben construir aparatos para observar los efectos magnéticos de la corriente eléctrica, y los efectos eléctricos de los imanes en movimiento. Al principio los aparatos pueden ser electroimanes sencillos, después se puede pasar a dispositivos más complicados, como juegos de construcción de motores eléctricos.
Al terminar el segundo de ensenanza media los alumnos deben saber que:Las corrientes eléctricas y los imanes pueden ejercer fuerzas entre sí.
Ahora los alumnos deben percatarse cuán bien explica el principio de gravitación universal la arquitectura del Universo, y mucho de lo que sucede en la Tierra. El principio se hará familiar al considerar varios ejemplos (la formación de estrellas, mareas, órbitas de cometas, etc.) y al estudiar la historia de la unión de los cielos y la Tierra. El aspecto "inversamente proporcional al cuadrado" no es en verdad relevante; es mucho más importante que el adulto deseche ideas tan erróneas como que la gravedad terrestre no tiene efecto más allá de la atmósfera o de que se debe a la atmósfera.
El estudio de la naturaleza de las fuerzas eléctrica y magnética se debe conjuntar con el estudio del átomo. Lo que quizá sorprenderá a muchos alumnos es cuán inmensamente mayores son las fuerzas electromagnéticas en comparación con la fuerza gravitacional. A algunos alumnos se les puede dificultar ver que las fuerzas mecánicas - como empujar un objeto con un palillo- se deben a cargas eléctricas a escala atómica, en cuyo caso se aconseja reconocer que las fuerzas eléctricas que observan cotidianamente, como la "atracción estática", se deben a desequilibrios extremadamente débiles entre las cargas eléctricas. A medida que los alumnos comprendan el principio de acción y reacción, se darán cuenta de que las fuerzas son recíprocas.
Al terminar el tercer grado de enseñanza media superior los alumnos deben saber que:
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