s1-en03 aprendizaje de la ciencia utilizando proyectos de

APRENDIZAJE DE LA CIENCIA UTILIZANDO PROYECTOS DE
INVESTIGACION
O.L. Fuchs , Oliva Suárez Aca1
Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, BUAP, Av. San Claudio y Río Verde, Col. San
Manuel, Ciudad Universitaria, Puebla, Pue., c.p.72570
1
Escuela Preparatoria “Lic. Benito Juárez G.”, de la BUAP
[email protected], [email protected]
RESUMEN. Se desarrollan pequeños proyectos de investigación como estrategias de aprendizaje que le
permiten al estudiante desarrollar su capacidad para aprender investigando temas que despiertan su
curiosidad, que lo conducen a la reflexión y al desarrollo de aplicaciones tecnológicas y que también le
permiten entrenarse como informador y comunicador de temas científicos. Los temas son de interés para el
estudiante y de relación inmediata con el medio. Se construye una bobina de Tesla, un prototipo de edificio
iluminado con celdas solares y diferentes aplicaciones para la utilización de celdas de hidrógeno.
INTRODUCCIÓN
En el modelo constructivista, la educación se concibe como un fenómeno constituido por experiencias que
contribuyen al desarrollo de la persona y le dan una existencia más autónoma, donde construir significados es
consecuencia de especial importancia en el proceso educativo. Se entiende que la construcción de significados
es un proceso activo, que requiere de un esfuerzo individual consciente. Enseñar es, por tanto, compartir
deliberadamente los significados para que cambie también de la misma forma el significado de los eventos;
por consiguiente, el papel del maestro es intercambiar significados y ayudar a dar significado a las
experiencias de las personas con las que se interrelaciona como educador.
En los últimos veinte años, los resultados de la investigación educativa sobre aprendizaje y enseñanza de las
ciencias han puesto de manifiesto la escasa efectividad de la enseñanza de las ciencias para la adquisición de
los conocimientos científicos, hecho que exige la superación de lo que el alumno tiene en la mente y que
influyen en la comprensión y aprendizaje de los conceptos científicos. Estos saberes que han sido
considerados como errores conceptuales, obstáculos preconceptos, ideas previas, son difícilmente
desplazables por los conocimientos científicos que se enseñan en las escuelas.
Dotadas de cierta coherencia interna, estas concepciones son comunes a estudiantes de diferentes medios y
edades, presentan cierta semejanza con concepciones que estuvieron vigentes en el transcurso de la historia
del pensamiento humano, y no se modifican fácilmente mediante la enseñanza habitual.
Enseñar ciencia debería consistir, desde la perspectiva de las concepciones espontáneas, en conseguir que los
alumnos sustituyan sus ideas intuitivas, pero firmemente arraigadas, sobre los fenómenos científicos, por
otros conceptos más avanzados y más próximos a las teorías científicamente admitidas. Dirigir además esta
enseñanza hacia los aspectos inferenciales y a los conceptuales, reconociendo el carácter constructivo del
aprendizaje
En el constructivismo no se trata únicamente de elaborar los conocimientos conceptuales sino también
destrezas y habilidades necesarias para la utilización de una metodología científica, las actitudes hacia la
ciencia, el desarrollo de actitudes positivas, la superación de las concepciones alternativas y, lo que no se debe
olvidar, el grado de satisfacción del alumno con la materia objeto de estudio.
La educación enciclopedista y la actitud pasiva del alumno produce una total dependencia hacia el profesor.
El estudiante debe experimentar para innovar, aprender investigando, la investigación es eje de la
enseñanza y el estudiante es un investigador nato La ciencia es una vivencia.
Dentro de los principios del paradigma de la cognición situada vinculado al enfoque sociocultural vigotskiano
se afirma que el conocimiento es situado, es decir, forma parte y es producto de la actividad, el contexto y la
cultura. Se destacan la importancia de la mediación, la construcción conjunta de significados y los
mecanismos de ayuda ajustada. EL aprendizaje por proyectos es una estrategia basada en una enseñanza
situada y experiencial.
PRIMERA PARTE. BOBINA DE TESLA
Para conocer y comprender el funcionamiento de una bobina de tesla, es necesario primero conocer algunos
conceptos del electromagnetismo, por ejemplo, conceptos como corriente, voltaje, campos eléctricos y
magnéticos, materiales dieléctricos y conductores y también conocer algunos dispositivos electromagnéticos
sencillos como pueden ser capacitores, bobinas, inductancias y algunos un poco mas complicados como los
transformadores. El objetivo principal al plantearle a los estudiantes el desarrollo y construcción de una
bobina de Tesla, utilizando algunos de los conceptos que, en principio, habían sido estudiados en el curso
inicial de electromagnetismo, fue el de darles la oportunidad de tener experiencias con dichos conceptos para
así lograr la construcción de significados.
La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de elevadas
frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables como sorprendentes efluvios, coronas y arcos
eléctricos. Su nombre se lo debe a Nikola Tesla, un brillante ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo
pasado y a principios de éste y que en 1891, desarrolló un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión
con el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores. Aunque esta idea no
prosperó, Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que mueven en el
presente todas nuestras industrias.
Funcionamiento El transformador T1 carga al capacitor C1 y se establece una diferencia de
potencial muy grande (alta tensión) entre las placas de éste. El voltaje tan elevado es capaz de romper la
resistencia del aire haciendo saltar una chispa entre los bornes del explosor EX. La chispa descarga el
capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras) estableciendo una corriente oscilante.
Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente repitiendo el proceso. Así resulta un circuito oscilatorio de
radiofrecuencia al que llamaremos circuito primario. La energía producida por el circuito primario es inducida
en la bobina secundaria L2 (con mayor número de vueltas) la cual es resonante a la frecuencia natural del
primario, esto es, que oscila a la misma frecuencia en que está trabajando el circuito primario. El circuito
oscilante secundario se forma con la inductancia de la bobina secundaria L2 y la capacidad distribuida en ella
misma. Finalmente este circuito oscilante secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia
y voltajes muy elevados. Las ondas que se propagan en el medio hacen posible la ionización de los gases en
su cercanía y la realización de diversos experimentos. La bobina de Tesla es un generador electromagnético
que produce altas tensiones a frecuencias elevadas (radiofrecuencias). El transformador elevador carga al
capacitor primario, que establece una diferencia de potencial muy grande (alta tensión) entre sus placas. El
voltaje tan elevado entre las placas del explosor hace que se produzca en el aire a su alrededor una ionización,
generando que en el núcleo de aire sea un buen conductor.De esta forma, la energía almacenada en el
capacitor, se descarga por medio de la bobina primaria, estableciendo una corriente oscilante. El proceso se
repite continuamente así obtenemos un circuito oscilatorio de radiofrecuencia .La energía producida por el
circuito primario es inducida en la bobina secundaria, que oscila a la misma frecuencia que el circuito
primario. La bobina secundaria produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes elevados.
Las ondas en el medio hacen posible la ionización de los gases en su cercanía, con los cuales podemos
observar diversos efectos.
SEGUNDA PARTE Prototipo de edificio iluminado con energía solar. Para lograr este objetivo el
estudiante tuvo que investigar los siguientes conceptos, energía solar, energía eléctrica, campo eléctrico
electricidad, células fotovoltaicas, celdas solares, radiación electromagnética, ondas electromagnéticas, diodo
emisor de luz, efecto fotoeléctrico, fotón, semiconductor, dopar.
El desarrollo fue el siguiente:
El objetivo que los estudiantes se plantearon fue observar el funcionamiento y la eficacia de las celdas solares.
El desarrollo es el siguiente:
Las celdas solares convierten la luz solar directamente en electricidad sin pasar por un ciclo térmico.
Funcionan esencialmente con base en materiales semiconductores, típicamente silicio, a los cuales se les
agregan deliberadamente impurezas específicas que permiten establecer un campo eléctrico interno dentro del
semiconductor pero lo suficientemente cerca de la superficie para que una gran porción de la luz solar pueda
penetrar hasta ahí. El efecto de la radiación solar consiste en la creación de un llamado par electrón-hueco,
que representa un par de una carga negativa (el electrón) y una carga positiva (el hueco) y que pueden
desplazarse libremente dentro del semiconductor. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como
efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres
son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
(1) LUZ (FOTONES)
(4) CAPA DE DESVIACIÓN
(2) CONTACTO FRONTAL
(5) CAPA POSITIVA
(3) CAPA NEGATIVA
(6) CONTACTO POSTERIOR
Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas. La diferencia entre
ellas radica en la forma como los átomos de silicio están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina.
Existe, además, una diferencia en la eficiencia. Por eficiencia se entiende el porcentaje de luz solar que es
transformado en electricidad. Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo
y más alto nivel de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo.
Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior y, luego, dos
capas de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de
antireflexión, que da a la celda solar su típico color azul.
Durante la última década, se ha estado desarrollando nuevos tipos de celdas solares de materiales diversos,
entre las que encontramos, por ejemplo, a las celdas de película delgada y a las celdas de CIS (diseleniuro de
indio de cobre) y CdTe (telururo de cadmio). Éstas están comenzado a ser comercializadas.
Funcionamiento. El edificio consta de tres pisos, en los cuales tienen 2 ventanas y cada una de estas es
iluminada por dos leds rojos. Para controlar la iluminación colocamos un interruptor.
También se realizaron pruebas con distintos tipos de motores. Estas pruebas se realizaron con dos diferentes
celdas solares.
LETS
INTERRUPTOR
FCE
CELDA SOLAR
Observamos que la celda solar funciona después de pocos segundos después de que tiene contacto con la luz
solar. La celda solar produce una corriente eléctrica que usamos para suministrar potencia a los leds e
iluminar el edificio.
Nos percatamos que los leds no iluminaban por completo al edificio, por ello consideramos que la celda solar
no suministra la potencia necesaria. La celda está diseñada para proveer 4 voltios. Pero sólo proveía de una
tercera parte.
Concluimos que las celdas solares funcionan convirtiendo la luz solar directamente en electricidad, la cual
utilizamos para suministrar potencia a los leds y al motor.
Además observamos que la eficacia de nuestra celda es media ya que el porcentaje de luz solar que
transformo en electricidad no fue suficiente.
TERCERA PARTE. Comportamiento de una celda combustible de Hidrógeno con algunas
aplicaciones. Una celda combustible de hidrógeno produce una fuerza electro motriz por medio de la
combinación de hidrógeno y oxígeno químicamente. Dicha celda proporcionará energía mientras le sean
suministrados hidrógeno y oxígeno. La corriente y el voltaje que genera dependerán de la carga aplicada a la
celda, lo cual puede verse en la curva característica. Aunque el principio de funcionamiento de las celdas de
hidrógeno o de combustible (C. de C.) fue descubierto en el año de 1839, por William Grove, jurista y físico
aficionado británico, no fue hasta principios de los años de 1960 en que fue aplicada en las misiones
espaciales de la Nasa, Apolo y Geminis, para suministrar energía eléctrica y agua potable y la industria las
reconoció como una opción técnica, pero en ese momento enfrentaban aún barreras tecnológicas y altos
costos de producción.
En años más recientes, alrededor de 60 empresas en todo el mundo, de las cuales siete de estas se encuentran
dentro de las 10 más grandes del mundo en cuanto a ganancias se refiere, trabajan en su investigación,
desarrollo y determinación de sus potenciales aplicaciones, con el objeto de hacerlas más confiables, durables
y reducir su costo. Se considera que esta tecnología revolucionará el mundo como en su momento lo hizo el
motor de combustión interna, teniendo impactos positivos tanto económicos como en el medio ambiente. Pero
¿qué es una celda de combustible?, son equipos que a través de la reacciones electroquímicas, la reducción del
oxígeno y la oxidación de un combustible (regularmente hidrógeno), transforman la energía química de estos
elementos, en eléctrica y calorífica. El combustible al fluir en la celda a través del electrodo negativo, y
mediante un catalizador de platino que propicia la separación del hidrógeno en iones, siendo estos
transportados a través de un electrolito, los que alcanzan el electrodo positivo, al combinarse con el oxígeno
generan agua. Los electrones que no cruzan a través del electrolito fluyen por un circuito eléctrico externo con
lo que se genera un voltaje, que al conectar una carga produce una corriente eléctrica. Los motores de
combustión interna, las baterías, y las C. de C. tienen en común que son dispositivos transformadores de
energía. Los primeros de estos, que proveen de energía a prácticamente todos los automóviles que circulan en
las carreteras del mundo, generan ruido, ocasionado por las explosiones a alta temperatura del proceso de
combustión, transformando la energía química del combustible en térmica y esta a la vez en mecánica, y en
ocasiones en eléctrica cuando se acopla un generador. Las baterías y las C. de C. tienen funcionamientos
similares, y por su naturaleza son más eficientes pues convierten directamente la energía química del
combustible en eléctrica, pues los motores de combustión interna al involucrar la conversión de energía
térmica se limitan a la eficiencia del Ciclo de Carnot. Ambos dispositivos pueden alimentar a los automóviles
eléctricos actuales, con requerimientos mínimos de mantenimiento, al no tener partes móviles. Sin embargo,
cuando se terminan los reactivos en las baterías, estas se tienen que reemplazar o recargar. En una C. de C.
esto no sucede, pues los reactivos son alimentados en forma continúa, por lo cual tendremos disponibilidad de
energía como la tengamos de reactivos, y presentan ventajas tales como menor peso y tamaño, rápido
abastecimiento y mayor rango de autonomía. Además se pueden utilizar una gran variedad de combustibles,
como hidrógeno, gas natural, etanol, metanol, gasolinas reformadas. Asimismo, en los procesos de obtención
de hidrógeno por electrólisis del agua, se pueden emplear fuentes renovables de energía, como la fotovoltaica,
la eólica y la mini hidráulica.
CONCLUSIONES Este tipo de estrategias de aprendizaje nos permitió promover las habilidades de
aplicación e integración del conocimiento, juicio crítico, toma de decisiones y solución de problemas en los
alumnos. Así como la construcción de conocimientos colectivos , incorporando aprendizajes para el manejo
de la información y la alfabetización tecnológica requeridos en la sociedad del conocimiento.
Alumnos participantes
Diana Elizabeth Vazquez Valerdi
Roberto Carlos Ramos Montes
.Leon Montiel Roberto de Jesús
Rojas Cortez Leonel
David Mendez Amaro
Palacios Corte Veranda
Dominguez Gutierrez Fco. Javier
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