La enseñanza tradicional |
El ordenador en la enseñanza de la Física |
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Bibliografía |
Enseñanza de la Física Introducción El curso interactivo de Física Problemas Enseñanza de conceptos Modelos físicos Experiencias de laboratorio Mecánica Cuántica Temas complementarios Uso de los materiales de enseñanza Conclusiones |
IntroducciónEl fenómeno explosivo de INTERNET, ha abierto unas expectativas insospechadas para el campo educativo, la posibilidad de la educación a distancia, para lo que se necesita un ordenador con un modem conectado a la línea telefónica. Mediante un programa específico denominado Navegador, se puede traer información de todo tipo, almacenada en ordenadores remotos denominados servidores. Esta información puede ser texto e imágenes, applets y otros elementos multimedia. La enseñanza de cualquier materia se puede beneficiar de la extraordinaria facilidad de navegación, de la posibilidad de tener a nuestra disposición inmediata la ingente cantidad de información de todo tipo almacenada en los miles de servidores repartidos a lo largo y ancho del mundo, de la interactividad y el dinamismo que imprimen los applets a las páginas web. El uso de Internet traerá grandes beneficios al sistema educativo, aunque su impacto real es difícil de prever en este momento:
El Curso Interactivo de FísicaEl Curso Interactivo de Física no es una forma alternativa de trasladar temas sacados de los libros de texto, o las notas del profesor, sino que trata de aprovechar una de las características más sobresalientes de Internet, la interactividad. El Curso Interactivo tampoco es una colección de applets aislados, sino que se ha pretendido crear un conjunto coherente que trate la mayor parte de los temas que se imparten en un curso introductorio de Física. El curso consta de un conjunto de páginas web, estructuradas jerárquicamente. Entrando por el índice nos podemos mover verticalmente a través de la jerarquía de lo general a lo específico, y también horizontalmente entre distintas secciones o tópicos. Las páginas web contienen texto, imágenes, fórmulas matemáticas y applets o pequeños programas interactivos escritos en lenguaje Java. El estudiante puede interaccionar con un applet del mismo modo que los hace con cualquier otro programa Windows: introduce los valores iniciales, y controla la evolución del sistema físico programado, cuyos resultados en forma de texto, representación gráfica o animación se presentan en su área de trabajo. La diferencia estriba en que los applets tienen un interfaz de usuario muy simple y que se repite de forma consistente a lo largo del Curso, por lo que no son necesarias instrucciones para el manejo de los programas. Con los applets que se incluyen en las páginas web se ha pretendido crear un conjunto rico de experiencias de modo que los estudiantes adquieran una intuición de las distintas situaciones físicas programadas en el ordenador. Mediante el diálogo interactivo entre el estudiante y el programa se pretende que el estudiante sea un participante activo en su proceso de aprendizaje, en vez de un espectador pasivo. Para conseguir este objetivo, se han diseñado las páginas web con una estructura similar a una práctica de laboratorio:
Hasta la fecha de la última actualización, se han desarrollado los siguientes capítulos:
Al principio de cada uno de los capítulos se señalan sus objetivos educativos, y se proporciona una amplia bibliografía, básica y complementaria. La bibliografía básica está formada por libros de texto de amplia difusión, y la bibliografía complementaria, por artículos aparecidos en revistas educativas en español o inglés, así como libros de carácter divulgativo. Se ha insistido en los conceptos básicos dentro de cada tema y en especial aquellos consideramos como "difíciles" por los estudiantes, y que no han sido enseñados suficientemente en los cursos previos, como las oscilaciones y las ondas. Se ha hecho, además una conexión entre estos dos temas, de ordinario estudiados separadamente.
La resolución de problemas constituye uno de los aspectos esenciales de la enseñanza de la Física. La interpretación de los enunciados constituye, a veces, la principal dificultad con la que han de enfrentarse unos estudiantes inmersos en la cultura actual de la imagen. A esta dificultad añade el escaso atractivo que tiene la resolución de problemas que consideran demasiado abstractos y alejados de la realidad. Se puede ayudar a los estudiantes presentando el enunciado y la solución del problema en forma de programa interactivo o applet insertado en una página web.
Una base de datos de problemas Una de las iniciativas que se tomaron para completar el Curso Interactivo de Física fue la de elaborar una base de datos con los enunciados de los problemas que a lo largo de varios años se han propuesto a los estudiantes de primer curso en la E.U.I.T.I. de Eibar como ejercicios para resolver en clase, en casa o en los exámenes. El estudiante, véase la figura 1, puede seleccionar un problema de un determinado capítulo y se le presentan dos opciones pulsando el botón correspondiente: el resultado o la solución completa. Como ayuda el estudiante dispone de enlaces a la "teoría", es decir, a las correspondientes páginas del Curso Interactivo de Física. Se completaron dos capítulos: la estática y la cinemática. Sin embargo, este iniciativa no ha despertado excesivo interés entre los estudiantes y profesores que han visitado la web del Curso de Física. Existe un problema adicional, las fórmulas matemáticas se convierten en archivos de imágenes .GIF cuando se guarda como archivo .HTML, un documento .DOC, escrito con Mocrosoft Word 7.0. No se pueden hacer modificaciones en los archivos de imagen, por lo que se ha de conservar el documento original si se desea hacer algunos cambios después de un cierto tiempo. Este inconveniente podrá ser paliado cuando aparezca el Mathematical Markup Language, una extensión del HTML para publicar fórmulas matemáticas en la web. Los enunciados, las soluciones y las respuestas no dejan de ser contenidos estáticos, similares a los que se pueden encontrar en un libro o en unos apuntes. Como se ha mencionado más arriba la característica más sobresaliente del Curso es la interactividad, y en este sentido se han volcado los esfuerzos del autor de este artículo.
Los problemas y los applets Interactividad significa que los estudiantes tienen que realizar una determinada tarea en contraste con las animaciones en las que los estudiantes se limitan a contemplar la sucesión de imágenes sin intervención alguna. Ambas aproximaciones no son excluyentes y su utilización depende de los objetivos que se pretendan conseguir, del ámbito y del nivel de los estudiantes. Algunas simulaciones de experiencias de laboratorio se han diseñado a su vez como problemas que se plantean a los estudiantes por ejemplo, el espectrómetro de masas. El estudiante puede elegir un elemento (hidrógeno, helio, oxígeno, carbono, etc.) de una lista de elementos, establece los valores de la intensidad del campo eléctrico en el selector de velocidades y del campo magnético de modo que los radios de las semicircunferencias que describen los isótopos se puedan medir adecuadamente sobre un escala graduada. Se le pide al estudiante que calcule la masa en unidades atómicas de cada uno de los isótopos, que podrá comparar con los resultados proporcionados por el programa interactivo al pulsar el botón titulado Respuesta. El applet está insertado en una página en la que se describe el funcionamiento del espectrómetro de masas, es decir, el movimiento de partículas cargadas en un campo electromagnético. El bucle, es un problema típico de un curso de Física general, ya que incluye la dinámica del movimiento rectilíneo, la dinámica del movimiento circular (en el bucle), el trabajo y la energía mecánica. Sin embargo, muchos estudiantes tienen dificultades en interpretar no solamente el enunciado sino incluso la figura, ya que algunos creen que el bucle es una rueda que baja rodando por el plano inclinado. Se ha diseñado un applet que muestra una situación muy próxima a la real, para que el estudiante experimente con el programa. El programa cumple otros objetivos. Así los estudiantes se podrán dar cuenta que el móvil tiene que tener una velocidad superior a una mínima en el punto más alto del bucle para que pueda describir un movimiento circular, lo que no es completamente entendido por muchos estudiantes. El enunciado presentado de esta forma, tiene la ventaja de que el estudiante ve el fenómeno físico antes de ponerse a resolverlo, puede analizar el problema a partir de la observación de las distintas etapas del movimiento del cuerpo. Esta aproximación puede hacer disminuir la tendencia de una proporción importante de estudiantes que memorizan las soluciones de los problemas que el profesor plantea y corrige en la pizarra. El enunciado es visual y es flexible por que el estudiante puede fabricarse su propio sistema físico: introducir la constante elástica del muelle, el coeficiente de rozamiento en los planos horizontal e inclinado y el radio del bucle. Finalmente, cuando el móvil describe el bucle y se detiene en el plano inclinado se le está proporcionando la solución al problema con unos datos concretos. Existen también, varios programas interactivos que combinan la explicación de los aspectos teóricos con la resolución de un problema concreto, por ejemplo, la descripción del movimiento de caída de los cuerpos o del movimiento curvilíneo bajo la aceleración constante de la gravedad. El estudiante puede introducir la velocidad inicial del móvil y la altura inicial, y observar el movimiento. Puede parar la animación cuando el móvil alcance la altura máxima o impacte en el suelo, y verificar que los resultados que ha obtenido resolviendo numéricamente el problema coinciden con los que le proporciona le programa interactivo.
Problemas-juego Los problemas-juego se pueden resolver con la ayuda de la intuición y del conocimiento
que va adquiriendo el estudiante del sistema físico tras sucesivos intentos.
Posteriormente, se le pedirá resolverlos aplicando las ecuaciones que describen dicho
sistema y a partir de los datos que se proporcionan. Cabe resaltar que la intuición que tienen los estudiantes de una determinada situación física no está ligada completamente a su conocimiento de la teoría o su éxito en la resolución numérica de los problemas. Hay estudiantes que no obtienen buenas calificaciones pero que captan rápidamente la situación física y obran en consecuencia. El programa "viajes interplanetarios", forma parte del capítulo dedicado a introducir la dinámica celeste. Se trata de enviar una nave espacial desde la Tierra a Marte y regresar de nuevo a la Tierra con la ayuda de la intuición y del conocimiento que va adquiriendo el estudiante del sistema físico tras sucesivos intentos. Posteriormente, se le pedirá resolver exactamente el problema aplicando la ecuación de la dinámica del movimiento circular uniforme y la tercera ley de Kepler. Enseñanza de conceptos Todos los programas enseñan conceptos físicos, aunque algunos de ellos están especialmente orientados a este cometido., por ejemplo un applet estudia las oscilaciones forzadas Una vez que el estudiante introduce la constante de amortiguamiento, la frecuencia de la oscilación forzada y las condiciones iniciales, se muestra de forma animada el movimiento del oscilador, a la vez que se traza los gráficos de la posición del móvil en función del tiempo, la energía del oscilador en función del tiempo, y la trayectoria del móvil en el espacio de las fases. Se puede distinguir entre estado transitorio y estacionario, tomar datos de la amplitud del oscilador en el estado estacionario y trazar un gráfico de la respuesta en amplitud del oscilador forzado. Finalmente, se observa la diferencia de fase entre la fuerza oscilante y la velocidad del móvil a fin de reconocer la condición de resonancia. El applet no trata de sustituir, sino de facilitar la comprensión de las experiencias sobre osciladores forzados reales, como el péndulo de Pohl, que puedan llevarse a cabo en el laboratorio o en una demostración de aula. Modelos físicos En otros casos, se estudia tanto la conducta individual de un componente, como la del sistema en su conjunto. Por ejemplo, se estudia el movimiento browniano de una partícula, y se explica cualitativamente la difusión unidimensional, o la sedimentación en términos de un sistema de partículas brownianas libres o bajo la acción de una fuerza externa. En otro capítulo se estudia un modelo de una sustancia dieléctrica,
consistente en un conjunto pequeño pero suficiente de moléculas polares. Cada flecha
representa el momento dipolar de una molécula, y forma un determinado ángulo con la
dirección del campo eléctrico. El programa representa el estado de cada molécula cuando
se introduce el valor del campo y de la temperatura, y posteriormente, calcula la
polarización de la muestra. Experiencias de laboratorio Se han simulado una experiencia que se puede llevar a cabo fácilmente en el laboratorio escolar, la medida de longitudes con un calibre, con el fin de aprender de forma activa la teoría de errores. Asimismo, se han simulado otras experiencias que se pueden llevar a cabo en el laboaratorio, como el estudio de los movimientos rectilíneos uniforme y uniformemente acelerado, la medida de la viscosidad por el método de Stokes, etc. Estas experiencias simuladas no tratan de sustituir las experiencias reales, sino que pueden servir de preparación para las mismas. Ahora bien, la simulación de experiencias de laboratorio es un buen recurso didáctico cuando aquellas son inaccesibles al laboratorio escolar, bien por ser costosas, peligrosas o difíciles de montar. La ventaja de la simulación es que el proceso físico puede visualizarse sin interferencia de los aparatos de medida o del exterior al sistema. En el capítulo que se dedicará al estudio del movimiento de partículas en un campo eléctrico o magnético, se incluirán las simulaciones de las experiencias de Thomson y de Millikan que dieron lugar al descubrimiento del electrón, así como las simulaciones del ciclotrón o del espectrómetro de masas. Otros applets describen el funcionamiento de aparatos que son difíciles de encontrar en un laboratorio escolar como el espectrómetro de masas o el ciclotrón. Todas estas experiencias suministran un número importante de ejemplos para que los estudiantes se familiaricen con las ecuaciones que describen el movimiento de partículas cargadas en un campo electromagnético. Se han simulado experiencias de gran relevancia histórica como el efecto fotoeléctrico en el descubrimiento del fotón, la experiencia de Rutherford en el descubrimiento de la estructura atómica, el experimento de Frank-Hertz en la comprobación experimental de la cuantización de los niveles de energía, o el experimento de Stern-Gerlach en el descubrimiento del espín del electrón.
Mecánica CuánticaSe ha dedicado un capítulo a estudiar aspectos básicos de la Mecánica Cuántica, por que pensamos que los estudiantes deberían introducirse antes en su aprendizaje. Las simulaciones, en un amplio sentido, pueden ayudarles a aproximarse a una gran variedad de fenómenos que para ellos son difíciles de comprender desde el punto de vista analítico. Los objetivos que se pretende alcanzar con la ayuda de los applets son:
Temas complementariosEn el capítulo titulado Cinemática se estudian interactivamente el movimiento rectilíneo, y el tiro parabólico, complementándose con una situación bien conocida por muchos estudiantes, el juego del baloncesto. Más adelante, se estudia el efecto del tablero y la elasticidad del balón en términos de un modelo basado en las oscilaciones amortiguadas. En un applet se visualiza de forma animada la deformación del balón mientras está en contacto con el tablero. Al terminar el capítulo de oscilaciones, estudiamos un oscilador forzado no lineal cuyo comportamiento nos permite conocer las características esenciales del régimen caótico. Estudiamos los modos de vibración de un sistema formado por partículas y muelles como paso previo al estudio del Movimiento Ondulatorio.
Uso de los materiales de enseñanzaEl Curso Interactivo de Física en Internet no trata de sustituir a la enseñanza tradicional sino que trata de complementarla. El objetivo es el de combinar de forma eficaz la enseñanza presencial y los recursos en la Red. En una clase habitual, se imparte a los estudiantes el mismo material y al mismo ritmo. En un aula provista de terminales de ordenador cada estudiante puede examinar el material del curso y puede preguntar al profesor. La enseñanza se hace más individualizada ya que cada alumno puede profundizar más o menos en un tema según su capacidad, y a su propio ritmo, en el sentido que unos pueden ir más avanzados que otros. La enseñanza se puede extender también más allá del aula, con ejercicios y trabajos que se pueden proponer a los estudiantes, y estos han de devolver resueltos al profesor por medio del correo electrónico. El profesor puede adaptar la clase presencial siguiente una vez examinadas las respuestas recibidas. Se puede complementar la interacción entre el profesor y los estudiantes y de estos entre sí con foros de debate en el que un estudiante envía uan duda o una pregunta y otros tratan de aclarársela, etc. En la enseñanza a distancia, la comunicación entre el profesor y los alumnos se realizará vía correo electrónico, así como la de los alumnos entre sí para realización de trabajos en colaboración.
ConclusionesExisten ciertos paralelismos entre la enseñanza tradicional y la enseñanza por medio del ordenador. En primer lugar, un profesor ha de mantener la atención del estudiante, preguntándoles, resolviendo problemas, mediante demostraciones o realizando prácticas en el laboratorio. En un libro electrónico, cuando el estudiante pulsa el ratón estando el puntero sobre una palabra activa o una porción de gráfico segmentado, está representando el papel de un estudiante análogo que pregunta al profesor por más detalles sobre un tema en el aula. Las simulaciones interactivas son similares a las prácticas de laboratorio, los problemas propuestos y sus soluciones a los correspondientes del aula. Publicar en Internet requiere conocer profundamente el medio, muy distinto a un libro o a unos apuntes. El Curso Interactivo de Física en Internet deberá ser perfeccionado a medida de que dispongamos de más datos resultado de la observación de la interacción entre el estudiante y el ordenador. El trabajo realizado ha tenido un eco favorable en la comunidad educativa lo que nos anima a continar añadiendo nuevos contenidos. La rapidísima evolución de las Tecnologías asociadas a Internet convertirá pronto en realidad la incorporación a las páginas web de elementos multimedia como el sonido y el vídeo digital. El lenguaje Java en su versión 2 mejorará el aspecto visual de los applets y permitirá al programador menajar mejor los gráficos y la animación. |
El curso interactivo
de Física en Internet