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comunicaciones
El curso interactivo de Física en Internet La enseñanza tradicional El ordenador en la enseñanza de la Física Bibliografía |
Introducción | |
ResumenEl curso interactivo de Física constituye un proyecto cuyo objetivo es la creación de materiales de enseñanza innovadores tanto en los contenidos como en los métodos, aprovechando las características de un nuevo medio, Internet, basado en los ordenadores y las comunicaciones.
Introducción.La aparición de nuevos medios y herramientas de enseñanza: libro de texto, vídeo, ordenador, etc., no ha implicado la sustitución de los existentes, sino que la labor del profesor es, una vez conocida la amplia gama de posibilidades que se le ofrece, buscar los tiempos y las formas de aplicación de cada una de ellas teniendo presente los objetivos que se pretenden para el nivel de la asignatura y el tipo de alumnos. El 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 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. 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.
EjemplosHasta el momento de escribir esta comunicación (junio de 1998) se han desarrollado parcial o totalmente los siguientes capítulos:
Figura 1. Encestando un balón en una canasta sin tablero En 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. Dados los datos de la distancia del balón al tablero, y la altura del balón sobre el suelo, podemos obtener a partir de las ecuaciones del tiro parabólico, el conjunto de los ángulos q de tiro y de las "energías" del balón W, que nos permitan introducir el balón en la canasta. Seleccionando un punto del plano (W, q) en la región sombreada, véase la Figura 1, encestaremos al primer intento. Dada la imprecisión que tiene el jugador en la elección del ángulo de tiro, la mejor estrategia consistirá en elegir la energía adecuada que proporcione el mayor intervalo de ángulos de tiro posible, y esto se produce en el mínimo de la región sombreada. 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, véase la Figura 2.
Figura 2. Deformación de un balón cuando choca con el tablero En el capítulo dedicado a las oscilaciones se estudia el concepto de M.A.S, la composición de dos M.A.S, y las oscilaciones libres, amortiguadas y forzadas, en el espacio ordinario y en el espacio de las fases. Se completa el capítulo con el estudio de un oscilador forzado no lineal, que introduce al estudiante en los sistemas que evolucionan hacia un régimen caótico, véase la Figura 3.
Figura 3. Un oscilador que choca elásticamente con una barrera situada en el origen En el capítulo Dinámica se introduce la dinámica celeste, las leyes de Kepler, y además, se estudia el movimiento de un sistema de masa variable, un cohete. Se trata de un juego-problema, en el que una nave espacial ha de aterrizar sobre un planeta del sistema solar gastando el menor combustible posible. Sin embargo, el objetivo fundamental del programa, véase la Figura 4, es el de poner a prueba una de las preconcepciones más extendidas entre los estudiantes que relacionan la fuerza con la velocidad. Así, si la nave asciende, por acción de la fuerza de empuje, algunos creen que se va a detener su ascenso cuando eliminan dicha fuerza apagando los motores de la nave. Por otra parte, creen que cuando la nave cae basta aplicar una fuerza de empuje superior al peso para que detenga su caída.
Figura 4. Aterrizando suavemente en la superficie de la Luna El estudio de los fenómenos de transporte no se suele abordar en los cursos introductorios de Física, por que su descripción matemática es compleja, pero son muy importantes en la ingeniería, y en la explicación de muchas situaciones de la vida diaria. En este capítulo, se describe la conducción del calor a lo largo de una barra metálica, véase la Figura 5, y se elabora un modelo que explica de una forma cualitativa los aspectos esenciales de la descripción del proceso de la conducción térmica (ley de Fourier).
Figura 5. Distribución de temperaturas en una barra de aluminio, 1, 10, 100, 1000 segundos después de haber conectado los focos frío y caliente a los extremos de la barra. En el capítulo dedicado al electromagnetismo se han creado varios applets que recrean experiencias que dieron lugar al descubrimiento del electrón: las experiencias de Thomson y de Millikan. 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. En la Figura 6, se ve una simulación de la experiencia de Millikan.
Figura 6. Una gota de aceite cargada moviéndose hacia arriba en presencia de un campo eléctrico. Finalmente, se 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. 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 (véase la Figura 7), 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. Además, se estudian de una forma simple e intuitiva soluciones simples de la ecuación de Schrödinger, y en particular, el pozo de potencial como modelo de átomo, véase la Figura 8.
Figura 7.Simulación de la experiencia de Rutherford. Una partícula alfa es desviada por núcleo de calcio
Figura 8. Buscando los niveles de energía de un pozo de potencial de 4 unidades de anchura y 5 de altura.
ConclusionesSe ha descrito un curso de Física en avanzado estado de desarrollo, mediante algunos ejemplos significativos. Sin embargo, un trabajo de esta naturaleza tiene muchos matices que es imposible describir en el breve espacio de una comunicación. Por otra parte, el curso no ha sido aún evaluado, por lo que es previsible que sufra algunos cambios a medida que se observe el comportamiento de los estudiantes en el aula con los materiales de enseñanza elaborados, y se reciban, a través del correo electrónico, comentarios y otras observaciones tanto de profesores como de estudiantes que examinen dichos materiales a distancia. |
