Energía I. Cambio y conservación
Anuncio
Distribución gratuita Prohibida su venta 2002-2003 Energía I. Cambio y Conservación Programa y materiales de apoyo para el estudio Licenciatura en Educación Secundaria Especialidad: Física Programa para la Transformación y el Fortalecimiento Académicos de las Escuelas Normales Programa y materiales de apoyo para el estudio Energía I Cambio y Conservación er semestre Energía I Cambio y Conservación Programa y materiales de apoyo para el estudio Licenciatura en Educación Secundaria Especialidad: Física Tercer semestre Programa para la Transformación y el Fortalecimiento Académicos de las Escuelas Normales México, 2002 Energía I. Cambio y Conservación. Programa y materiales de apoyo para el estudio. Licenciatura en Educación Secundaria. 3er semestre fue elaborado por el personal académico de la Subsecretaría de Educación Básica y Normal de la Secretaría de Educación Pública. La SEP agradece la participación de los profesores de las escuelas normales en el diseño del programa y en la selección de los materiales. Coordinación editorial Esteban Manteca Aguirre Cuidado de la edición Rubén Fischer Diseño Dirección Editorial de la DGMyME, SEP Formación Blanca Rodríguez Primera edición, 2000 Primera reimpresión, 2001 Segunda reimpresión, 2002 D. R. © Secretaría de Educación Pública, 2000 Argentina 28 Centro, C. P. 06020 México, D. F. ISBN 970-18-5094-7 Impreso en México DISTRIBUCIÓN GRATUITA-PROHIBIDA SU VENTA Índice Presentación Energía I. Cambio y Conservación Programa Introducción Relación con otras asignaturas Orientaciones didácticas generales Sugerencias para la evaluación Organización por bloques Bloque I. La energía: un concepto central de la Física Bloque II. La enseñanza de la energía y las dificultades asociadas a su aprendizaje Bloque III. Energía y la integración de las ciencias 5 9 9 10 11 13 14 14 22 29 Materiales de apoyo para el estudio Bloque I. La energía: un concepto central de la Física Introducción al bloque “Comprender y orientar los cambios de la materia” Daniel Gil Pérez, Carlos Furió Más y Jaime Carrascosa Alís 39 Bloque II. La enseñanza de la energía y las dificultades asociadas a su aprendizaje La resolución de problemas de Física: de los ejercicios de aplicación al tratamiento de situaciones problémicas Daniel Gil Pérez y Pablo Valdés Castro 49 ¿Cómo implicar a los estudiantes en la determinación de los contenidos? Concepciones e intereses de los estudiantes acerca de los cambios Daniel Gil Pérez, Carlos Furió Más y Jaime Carrascosa Alís 70 Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía J. Solbes y F. Tarín 74 Exploración de las ideas previas Transferencia y conservación de la energía Paloma Varela Nieto, Ana Favieres Martínez, Ma. Jesús Manrique del Campo y Ma. Carmen P. de Landazábal 92 Bloque III. Energía y la integración de las ciencias Cómo vivir con riesgos y beneficios American Chemical Society 109 Presentación La Secretaría de Educación Pública, en coordinación con las autoridades educativas estatales, ha puesto en marcha el Programa para la Transformación y el Fortalecimiento Académicos de las Escuelas Normales. Una de las acciones de este programa es la aplicación de un nuevo Plan de Estudios para la Licenciatura en Educación Secundaria, que se inicia en el ciclo escolar 1999-2000. Este cuaderno está integrado por dos partes: el programa Energía I. Cambio y Conservación y los textos que constituyen los materiales de apoyo para el estudio de la asignatura. Estos últimos recursos son básicos para el análisis de los temas y se incluyen en el cuaderno debido a que no se encuentran en las bibliotecas o son de difícil acceso para estudiantes y maestros. Otros textos cuya consulta también es fundamental en el desarrollo del curso y que no se incluyen en este volumen son los propuestos en el apartado de bibliografía básica. Para ampliar la información sobre temas específicos, en cada bloque se sugiere la revisión de algunas fuentes citadas en la bibliografía complementaria. Las obras mencionadas en dichos apartados están disponibles en las bibliotecas de las escuelas normales. Es importante que los maestros y los estudiantes sean usuarios constantes de estos servicios, para alcanzar los propósitos del curso. Este cuaderno se distribuye en forma gratuita a los profesores que atienden la asignatura y a los estudiantes que cursan el tercer semestre de la Licenciatura en Educación Secundaria en la especialidad de Física. Es importante conocer los resultados de las experiencias de trabajo de maestros y alumnos; sus opiniones y sugerencias serán revisadas con atención y consideradas para mejorar este material. La Secretaría de Educación Pública confía en que este documento, así como las obras que integran el acervo de las bibliotecas de las escuelas normales del país, contribuyan a la formación de los futuros maestros que México requiere. Secretaría de Educación Pública Energía I. Cambio y Conservación Horas/semana: 4 Créditos: 7.0 Programa Introducción El concepto de energía resulta importante por su carácter integrador para la explicación de gran parte de los fenómenos físicos, así como por sus implicaciones en el ámbito de la ciencia, la tecnología y la sociedad. El propósito fundamental de esta asignatura es que los estudiantes normalistas se familiaricen con el concepto de energía, y reconozcan su potencia como parte de la Física y como aspecto que favorece el acercamiento de los adolescentes al conocimiento científico. Con esta asignatura se invita al normalista a rebasar las concepciones intuitivas y científicamente erróneas sobre el concepto de energía, mediante un estudio cuidadoso de los fenómenos cotidianos y de algunos desarrollos tecnológicos vinculados con este tema. Se analiza, en especial, la forma en que el lenguaje coloquial influye en las clases de Física por el empleo de expresiones como “gasto energético”, “consumo de energía”, “crisis energética” o “cargar de energía” sin sustento científico. Se plantea una visión atractiva, pero al mismo tiempo crítica del término, con el fin de que se comprenda su potencialidad y su aplicabilidad. Se provee además al estudiante de un conjunto de reflexiones didácticas que le permitan encontrar formas de trabajar este concepto con los adolescentes de la escuela secundaria. El concepto de energía es abstracto, por lo que, aunado al uso antes mencionado del término, resulta difícil de comprender y de aplicar correctamente para la mayoría de los alumnos, como lo muestra la experiencia diaria en el aula. Por un lado la palabra resulta muy familiar y se usa habitualmente con significados diferentes al de la Física, mientras que, por otro, el concepto científico de energía es muy poderoso y permite explicar muchos aspectos de la mayoría de los fenómenos. Estas dos características son posiblemente el origen de las dificultades de comprensión que encuentran los estudiantes. Dichas dificultades y preconceptos se presentan al estudiante normalista en este curso y se incorporan al trabajo de planeación de secuencias didácticas, cuyo fin es favorecer el cambio cognitivo, ya sea conceptual, procedimental o actitudinal. También se propicia la búsqueda de soluciones que ayuden a los alumnos de la escuela secundaria a la superación de sus dificultades de comprensión y a establecer relaciones y diferencias entre las teorías científicas que aprenden en el aula y las ideas que usualmente se forman al interpretar lo que ocurre a su alrededor. Se parte del estudio de los cambios que ocurren en diferentes objetos o sistemas y se introduce la idea de que todo cambio lleva aparejada la modificación de una propiedad de algunos elementos del sistema que se puede relacionar con la energía. Se aprovecha el hecho de que los cambios no se producen solos, sino que siempre han de 9 producirse a costa de que cambie otro elemento del sistema, con ello se introduce el concepto de interacción. La introducción temprana de este concepto hace frente a la tendencia a interpretar los cambios por medio de una causalidad simple y unidireccional, a la vez que prepara a los alumnos para introducir posteriormente los conceptos de transferencia, conservación y degradación. Con el concepto de transferencia se retoma y fortalece la idea de interacción entre sistemas, a la vez que se introduce la noción de que la cantidad de energía es la misma y sólo pasa de un sistema a otro, o sea, se aplican los conceptos de conservación y de transformación para explicar cómo los cambios pueden ser internos. En todos los casos, tras la introducción de cada uno de estos grupos de conceptos (cambio, interacción, transferencia, transformación, conservación y degradación) se propone una redefinición del concepto de energía. De esta forma se intenta que el estudiante normalista vaya reinterpretando los fenómenos estudiados desde una perspectiva cada vez más amplia y tienda puentes entre los fenómenos cotidianos y las teorías científicas que los interpretan, tratando en todo momento que desarrollen la habilidad de distinguir entre el uso y el significado de los diferentes términos empleados en el contexto científico con respecto al de la vida diaria. Mediante una descripción clasificada de las formas de energía, se profundiza en la comprensión del concepto haciendo énfasis en su importancia en diferentes ámbitos científicos, en sus aplicaciones tecnológicas, así como en su relación con los aspectos ambientales, políticos y económicos. Se incorporan también las dimensiones valoral y actitudinal por medio de la clarificación de valores sobre el ahorro energético y la reflexión sobre las fuentes naturales de energía y su aprovechamiento adecuado. Relación con otras asignaturas Este curso, denominado Energía I. Cambio y Conservación, se relaciona de manera directa con asignaturas de diversos semestres: Los principales antecedentes se abordaron en la asignatura Introducción a la Enseñanza de: Física, el cual aportó argumentos para comprender la importancia científica y pedagógica de los conceptos con gran poder explicativo, entre ellos el de materia, el de energía y el de conservación. En este sentido, la asignatura de tercer semestre La Ciencia de las Interacciones entre Materia y Energía, retoma y destaca la importancia de estos conceptos aunados a las reflexiones sobre el carácter de las leyes físicas y la metodología de trabajo de la Física como ciencia fenomenológica. Otras asignaturas que se relacionan con el curso de Energía I. Cambio y Conservación son Desarrollo de los Adolescentes I, II y III y Observación y Práctica Docente I. En las primeras se abordan los temas de identidad, salud, sexualidad y relaciones sociales, que se vinculan con los temas valorales referidos a la alimentación y la ingesta correcta 10 de calorías. También se desarrollan temas vinculados al cuidado de algunos órganos y sistemas del cuerpo humano, sobre todo cuando son expuestos a niveles altos de interacción energética, por ejemplo el ruido y la intensidad luminosa. La segunda asignatura es un excelente medio para fortalecer el aprendizaje de los estudiantes normalistas en relación a cómo se conceptualiza la energía y los procesos asociados con ella (transferencia, transformación, conservación y degradación), al tiempo que enriquecen su experiencia personal y mejoran su labor docente al practicar ante un grupo de alumnos algunas de las actividades propuestas con esa finalidad. En las asignaturas del cuarto, quinto y sexto semestres se retoman las diferentes ramas de estudio de la Física, incorporando el concepto de la energía como uno de los ejes a través del cuál se plantea la unidad de la ciencia y de las explicaciones físicas de los fenómenos naturales. Orientaciones didácticas generales A continuación se enuncian algunas recomendaciones que sería conveniente atender a lo largo del curso. 1. Lograr un conocimiento de los fines y del contenido de este programa que sea compartido por el maestro y los alumnos. Será provechoso que, al iniciarse el curso, el maestro y el grupo analicen conjuntamente el programa, para que queden claros sus propósitos formativos, la secuencia de sus componentes y el tipo de trabajo que se espera de cada quien. Durante el curso, cuando sea necesario, deberá regresarse a la lectura del programa para precisar por qué y para qué trabajar determinados contenidos y actividades. 2. Aprovechar los conocimientos y experiencias del alumno, iniciando cada sesión de trabajo clarificándolos y recuperándolos, para lograr así que el conocimiento científico que se pretende aprenda el alumno tenga un acercamiento a los conocimientos previamente adquiridos. 3. Asegurar una lectura comprensiva de la bibliografía básica y vincular las ideas que en ella se presentan con las actividades que se realicen en la clase y con las labores externas de los alumnos en la observación del proceso escolar. Debe evitarse el riesgo común de que el material de lectura sea visto como algo separado del trabajo aplicado, que se lee por obligación y está sujeto a formas poco eficaces de control. Debe asumirse que la mejor forma de demostrar una buena lectura es incorporar su contenido al análisis, la discusión y la actividad práctica. Si el maestro advierte que algunos alumnos muestran dificultades en el manejo de la bibliografía, puede promover la formación de círculos de estudio que funcionen temporal o continuamente, solicitando la colaboración de los alumnos más adelantados. 4. Incluir en el programa de trabajo del grupo actividades en las cuales los estudiantes lleven a la práctica las observaciones y la indagación que, en temas especialmente 11 relevantes, los programas de educación secundaria, el libro para el maestro y los libros de texto proponen para los alumnos de secundaria. Ello permitirá que los futuros maestros experimenten situaciones que vivirán sus alumnos y puedan anticipar algunos de los retos y dificultades pedagógicas que enfrentarán en su vida profesional. 5. Promover sistemáticamente la observación y la interrelación de los estudiantes normalistas con los adolescentes en edad escolar, a propósito del conocimiento de la naturaleza y el aprendizaje de la Física. Una oportunidad de hacerlo sistemáticamente la ofrece la asignatura Observación del Proceso Escolar, sin embargo, se deberá alentar a los estudiantes para que busquen y aprovechen todas las ocasiones informales para hacerlo, sea con grupos escolares a los que tengan acceso o con adolescentes de su entorno familiar y de residencia. La familiarización con las formas de percepción y reflexión de los adolescentes, de sus reacciones ante estímulos cognitivos que poseen un propósito claro, permitirá que los estudiantes desarrollen su sensibilidad y su capacidad de empatía hacia la perspectiva desde la cual los adolescentes miran y tratan de dar sentido al mundo que les rodea. 6. Realizar actividades complementarias de estudio para fortalecer la formación disciplinaria básica de la Física. El maestro y los estudiantes deberán estar atentos a la detección oportuna de deficiencias y vacíos que pueden existir en la formación individual. Asimismo, debe utilizarse el material videograbado y programas de informática educativa disponibles en la biblioteca de la escuela y accesible en Centros de Maestros. En ocasiones puede ser de interés acudir a las bibliotecas, hemerotecas o centros de documentación de otras instituciones educativas. 7. Establecer un adecuado equilibrio entre el trabajo individual y el de equipo que realicen los alumnos. Es claro que numerosas actividades de aprendizaje deben realizarse individualmente, en tanto que otras se benefician del esfuerzo de un grupo de trabajo. En este último caso, deben observarse ciertas normas mínimas que aseguren la eficacia de esta modalidad de organización didáctica: la planeación clara del trabajo, la distribución equitativa de las tareas y el carácter realmente colectivo del análisis, la discusión y la elaboración del resultado final del trabajo. Estas normas son útiles porque evitarán una frecuente deformación del trabajo de equipo, que fracciona temas de aprendizaje, no permite que los estudiantes visualicen los contenidos en su conjunto y oculta desequilibrios injustos en el esfuerzo realizado por cada alumno. Se sugiere establecer como criterio que los equipos no se integren con más de cinco alumnos. 8. Propiciar la redacción de notas de lectura, registros de observación y de resultados de los experimentos, diseños de actividades didácticas para el trabajo en el aula de la escuela secundaria, entre otras. Es conveniente que cada alumno integre a lo largo del curso una carpeta personal con los productos del aprendizaje, la que le será útil para el ordenamiento y la clasificación de su trabajo, para consultarla durante los siguientes semestres, en su futuro trabajo profesional y, eventualmente, como elemento para la evaluación. 12 9. Propiciar el análisis de los resultados de las jornadas de observación del proceso escolar, con base en las actividades que al final del curso se presentan. Sugerencias para la evaluación Los criterios y procedimientos que se definen para evaluar los conocimientos, habilidades y actitudes que los estudiantes adquieren durante el estudio de los temas del curso, deben ser congruentes con los propósitos y las orientaciones didácticas que se han señalado. Es necesario tener en cuenta que la evaluación, entendida como proceso permanente, permite identificar no sólo los avances y las dificultades en el aprendizaje de los estudiantes, sino que también aporta información que el maestro puede aprovechar para tomar decisiones que contribuyan a mejorar sus formas de enseñanza. Para que los estudiantes tomen conciencia de los compromisos y tareas que les corresponde asumir, es conveniente que al iniciar el curso acuerden con el maestro los criterios y procedimientos que se aplicarán para evaluar. De esta manera tendrán los elementos básicos para reconocer aquellos campos específicos en que requieren fortalecer su formación profesional. Las características de este curso y el tipo de actividades que se realizan requieren de prácticas de evaluación diversas que den evidencias no sólo de conocimientos que se adquieren, sino de las actitudes que los alumnos manifiestan ante el trabajo individual y de grupo, hacia los adolescentes y hacia la naturaleza. Para evaluar, deben aprovecharse la participación de los alumnos en la clase, los textos escritos y las indagaciones que éstos realicen. En este caso, la evaluación no requiere de acciones ni productos distintos de los que se generan en el proceso mismo de enseñar y aprender. Cuando se considere necesario que los alumnos muestren sus niveles de logro por medio de un desempeño destinado específicamente a la evaluación, los instrumentos que se elijan deben plantear retos para que los estudiantes apliquen su capacidad de análisis, juicio crítico, comprensión, relación, síntesis y argumentación, y proporcionar información sobre rasgos como los que se enuncian enseguida. • El interés que muestran los estudiantes por acercarse al conocimiento científico. • La comprensión de las intenciones educativas de la enseñanza de la Física en la escuela secundaria, a partir del análisis de los contenidos propuestos en los programas de estudio de este nivel. • La habilidad para vincular las elaboraciones teóricas con el análisis de las situaciones educativas relacionadas con la enseñanza y el aprendizaje de la Física. • La capacidad para diseñar, mediante el conocimiento y uso eficaz de los libros de texto y otros recursos educativos y del medio, estrategias didácticas que estimulen en los adolescentes las habilidades y actitudes propias de la indagación y del pensamiento científicos. 13 Para lograr lo anterior se sugiere tomar como base las recomendaciones de evaluación de los libros para el maestro de Biología, Física y Química. Una combinación de éstas podrá ayudar a utilizar los instrumentos adecuados para cada situación que se necesite evaluar. Organización por bloques Bloque I. La energía: un concepto central de la Física Este bloque tiene como propósito que el alumno normalista explique por qué la energía es un concepto central de la Física y cómo este concepto permite acercarse tanto al estudio de la disciplina como al desarrollo de habilidades, valores y actitudes en relación con la Física. Asimismo, que analice los procesos de transferencia, transformación, conservación y degradación asociados a la energía y los utilice como formas de aproximarse al mundo de fenómenos físicos. Se analiza la presencia de la Física mediante una selección de fenómenos cotidianos. El bloque parte del estudio de diversos cambios en diferentes cuerpos e introduce la idea de que todo cambio lleva aparejada la modificación de una propiedad de esos cuerpos. Bajo la premisa de que los cambios en un cuerpo no se producen solos, sino que siempre han de producirse a costa de que otro cuerpo o sistema cambien, se introduce del concepto de interacción, como causante de dicho cambio. Cabe señalar que el tema de las interacciones también será desarrollado en sus aspectos más generales en la asignatura La Ciencia de las Interacciones entre Materia y Energía, por lo cual aquí se parte ya de que los alumnos poseen algunas referencias sobre el mismo. La introducción temprana de la interacción se hace frente a la tendencia a interpretar los cambios por medio de una causalidad simple y unidireccional, a la vez que prepara a los alumnos para la introducción posterior de los conceptos de transferencia, conservación y degradación asociados a la energía. Al analizar el concepto de transferencia, se retoma y fortalece la idea de interacción entre sistemas, así como la noción de que toda la energía que se intercambia en sus diferentes formas es la misma, en cantidad, que se contabiliza previamente a la interacción y que sólo pasa de un sistema a otro. Mediante el análisis de la transformación de la energía y de la eficiencia de algunos procesos de conversión, se introduce la idea de degradación de la energía y se aplica a algunos casos particulares como la segunda ley de la termodinámica y la “muerte térmica” del universo. Se motiva a los estudiantes normalistas a analizar, de manera breve, el proceso de construcción de los aspectos fundamentales relacionados con el concepto de energía ligados a la metodología de trabajo de algunos personajes científicos que aportaron diferentes aspectos para la conformación de la idea moderna de energía. También se 14 discuten los abusos del lenguaje cotidiano al referirse al término y se asocia este hecho con una oportunidad para introducir los temas relacionados con la energía en las clases de la escuela secundaria. Temas 1. 2. 3. 4. Importancia de la energía en la actualidad. Historia de una idea que transformó al mundo. El concepto de energía. Tipos y fuentes de energía. Mecanismos de transmisión de la energía. Transformaciones de la energía. Principio de conservación de la energía. Degradación de la energía. Explicación de diversos fenómenos físicos a partir del concepto de energía. Bibliografía básica AAAS (1997), “Tecnología y ciencia”, en Ciencia: conocimiento para todos, Oxford University Press/ SEP (Biblioteca del normalista), México pp. 25-27. Ben-Dov, Yoav (1999), “Energía y entropía”, en Invitación a la física, Barcelona, Editorial Andrés Bello, pp. 87-106. Feynman, Richard (1987), “¿Qué es la energía?” y “Otras formas de energía”, en Las lecturas de física de Feynman, vol. I, México, Addison-Wesley Iberoamericana/Sitesa, pp. 4.2-4.3 y 4.9-4.12. Gil Pérez, Daniel, Carlos Furió Más y Jaime Carrascosa Alís (1995),“Introducción al bloque ‘Comprender y orientar los cambios de la materia’”, en Comprender y orientar los cambios de la materia 1. La energía: la invención de un concepto fructífero. Curso de formación de profesores de ciencias, Madrid, MEC/UNED/UAB, pp. 5-14. Hecht, Eugene (1990), “Cinética y potencial” y “Termo”, en Física en perspectiva, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 189-203 y 211-236. Hewitt, G. Paul (1999), “Energía”, “Piensa y explica” y “Piensa y resuelve”, en Física conceptual, México, Pearson/Addison-Wesley Longman, pp. 103-117, 120-121. Hewitt, G. Paul y Paul Robinson (1998), ejercicios 21, 22, 23, 26, 27 y 28, en Manual de laboratorio de Física, México, Pearson/Addison-Wesley Longman, pp. 73-78 y 85-96. Sagan, Carl (1998), “La mirada de Dios y el grifo que gotea”, “Emboscada: el calentamiento del mundo” y “Huir de la emboscada”, en Miles de millones. Pensamientos de vida y muerte en la antesala del milenio, Barcelona, Grupo Zeta (SineQuaNon), pp. 47-64 y 131-178. Bibliografía complementaria AAAS (1997), “Transformaciones de la energía”, “Flujo de materia y energía”, “Los recursos ener- géticos y su uso”, “Relación entre la materia y la energía” y “Aprovechamiento de la energía”, en Ciencia: conocimiento para todos, México, Oxford University Press/SEP (Biblioteca del normalista), pp. 50-53, 68-70, 118-122,154-155 y 165-167. 15 Chimal, Carlos [comp. y trad.] (1998), “La primera ley de la termodinámica, Sadi Carnot” y “La segunda ley de la termodinámica, Rudolf J. Clasius”, en Las entrañas de la materia. Antología de relatos científicos, México, Alfaguara (Alfaguara juvenil), pp. 78-82 y 83-91. Garritz, Andoni y J. Antonio Chamizo (1994), “La energía” y “El cambio”, en Química, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 22-29. Sánchez, Ana María, María Trigueros y Julia Tagüeña (1999), Energía. Historias de la ciencia y la técnica, México, Dirección General de Divulgación de la Ciencia-UNAM. Actividades sugeridas 1. De manera previa a la clase leer “Emboscada: el calentamiento del mundo” y “Huir de la emboscada”, de Sagan. Destacar las ideas más importantes y explicarlas en términos de la transformación y la conservación de la energía. A manera de inicio, revisar el programa Introducción a la Enseñanza de: Física, así como sus notas y productos de ese curso, a fin de identificar las diferentes actividades y momentos en los que se hizo mención del término energía. Comentar en el grupo: • El bloque, el tema y el propósito fundamental con el que se trabaja el concepto. • El propósito con el que se hace mención del término. • Las puntualizaciones y comentarios que se hacen sobre el término. • Las conclusiones que obtuvieron de las actividades con las que se relaciona el término. Leer los propósitos de los bloques de este curso, identificar las relaciones que se encuentran con el antes mencionado y expresarlas en un texto que desarrolle una respuesta a la pregunta “¿Por qué iniciar la revisión de la Física que se estudia en la escuela secundaria con el estudio de la energía?”. Aprovechar la información, las lecturas extraclase y presentar los escritos al maestro. 2. Dividirse en equipos y seleccionar una de las siguientes preguntas para discutir y comentar ante el grupo. En ambas preguntas definir el sistema y sus componentes, las interacciones que se llevan a cabo y explicar las transferencias y transformaciones de energía que ocurren: • Cuando el vapor de agua se condensa sobre los vidrios de la cocina, forma gotitas de agua que son más frías que el vapor. ¿Qué pasa con la temperatura del aire a su alrededor? • ¿Por qué la velocidad de un satélite artificial puesto en órbita elíptica cambia por efecto de la fuerza de atracción gravitacional? ¿Sucede lo mismo si la trayectoria del satélite es circular? De ser necesario consultar los textos que se sugieren en la bibliografía complementaria o los libros de la biblioteca. Tema 1. Importancia de la energía en la actualidad. Historia de una idea que transformó al mundo 3. Como actividad extraescolar formar equipos para elaborar una ponencia y nombrar un representante que participará, en clase, en un debate que se titule “La energía y el 16 mundo contemporáneo”. Aprovechar la información de las lecturas extraclase para discutir las conclusiones generales sobre el tema. Llegar a conclusiones generales sobre el mismo. Para la elaboración de la ponencia que será usada en el debate leer el siguiente escrito que forma parte del libro Energía. Historias de la ciencia y la técnica, de Sánchez, Trigueros y Tagueña. Energía... Cuántas veces hemos oído esta palabra. Aunque la usamos muy a menudo, ¿podríamos decir qué es? La energía es un concepto complejo de definir pero muy útil. Lo utilizan casi todas las ciencias y es parte también de nuestro vocabulario cotidiano. ¿Hace cuánto tiempo que hablamos de energía? Estamos tan habituados a hacerlo que pensamos que el concepto es muy antiguo, pero no es así. Los antiguos griegos usaban la palabra “energía” para referirse a la eficacia, el poder o la virtud para obrar. Ni Galileo ni Newton, siglos después, conocían el concepto en la forma en que hoy lo manejamos. No fue sino hasta mediados del siglo XIX cuando varios científicos que hacían experimentos diferentes en diversos lugares encontraron que fenómenos que hasta entonces se pensaban ajenos unos a otros, como el calor y el movimiento, el movimiento y la luz, la afinidad química y el calor, y otros más, se relacionaban entre sí. Es más, estos fenómenos podían transformarse uno en el otro y en esa transformación podía definirse un concepto abstracto que da cuenta de algo que se conserva: la energía. La energía es un concepto unificador en la naturaleza y por su carácter abstracto es más fácil de definir en términos de sus manifestaciones. La energía se manifiesta de muchas formas que pueden intercambiarse: mecánica, calorífica, eléctrica, química, magnética, nuclear. Las distintas formas de energía se transforman unas en otras, y lo más importante es que en ese proceso la cantidad total de energía se conserva. A este fenómeno se le llama principio de conservación de la energía. El descubrimiento del principio de conservación de la energía representó un momento importante en la historia de las ciencias. Su nacimiento permitió descubrir que varias de ellas, que hasta ese momento se estudiaban por separado, constituían parte de un todo: la Física. Desde su nacimiento este principio ha estado ligado íntimamente a la tecnología. Su aplicación permitió el desarrollo de nuevas industrias que cambiaron totalmente nuestra forma de vida. El concepto de energía ha sido un motor del desarrollo de la ciencia y la tecnología. Su papel ha sido fundamental y sólo mediante un conocimiento profundo de este concepto y de sus consecuencias podremos comprender y manejar los efectos de la tecnología sobre el ambiente y la sociedad. En clase y una vez concluido el debate elaborar un mapa conceptual sobre el concepto de energía. Aprovechar el escrito inicial, el mapa conceptual y las conclusiones de las lecturas realizadas para debatir en plenaria acerca de uno de los siguientes temas: 17 • • ¿Qué enseñar acerca de la energía y por qué? ¿En qué errores frecuentes puede incurrir el profesor al enseñar el tema de energía en la escuela secundaria? • ¿Por qué puede considerarse a la energía como un concepto unificador? Presentar los mapas ante el grupo y comentarlos. Enunciar conclusiones y ponerlas por escrito. Guardar este trabajo ya que será retomado más adelante. 4. Como pare del trabajo extraclase investigar por equipos la evolución histórica del concepto de la energía. Guiarse por los conceptos asociados a los científicos que se señalan entre paréntesis: • El fuego (Aristóteles) y la vis viva (Leibnitz). • La energía (Young) y la fuerza (Newton). • La potencia (Carnot) y la entropía (Clausius). • El calórico (Lavoisier) y su refutación (Conde de Rumford). Para esta investigación apoyarse en las colecciones La ciencia desde México, Viajeros del conocimiento y en los textos de la biblioteca de la escuela normal. En equipo, analizar la relación entre ciencia, matemáticas, ingeniería y tecnología. Leer “Tecnología y ciencia” de AAAS para fundamentar sus opiniones sobre esta relación dinámica. Escoger uno de los siguientes momentos de la historia del desarrollo de la tecnología asociada al aprovechamiento y transformación de la energía. Investigar qué fuente de energía es la que se transforma hasta lograr producir movimiento, así como la forma en que funcionan cada uno de los siguientes ejemplos: • Los molinos de viento. • Máquinas del renacimiento (de Da Vinci). • Las máquinas de vapor. • Los motores de combustión interna. • La turbina. Construir una línea del tiempo en la que ubiquen a lo largo de los siglos los diversos momentos en que se idearon cada uno de los inventos, así como los conceptos analizados al inicio de la actividad. Presentar al grupo las producciones. Para terminar, elaborar algunas conclusiones sobre la relación entre la Física y la tecnología y acerca del desarrollo de conocimientos nuevos a partir de los problemas tecnológicos surgidos de las necesidades humanas. Tema 2. El concepto de energía. Tipos y fuentes de energía. Mecanismos de transmisión de la energía 5. De manera previa a la clase escoger por equipos dos de los libros autorizados para su uso en la escuela secundaria de Introducción a la Física y a la Química y Física I, para conocer cómo se desarrolla el concepto de energía. Analizar y comentar las diferencias con el construido anteriormente. • ¿Cuál de las definiciones les parece que es más amplia? • ¿Qué tipos de ejemplos se proponen para ayudar a conceptualizar a la energía? 18 • ¿Qué cambios o adecuaciones le harían al libro? ¿Y a la definición que construyeron? • ¿Cuáles de los siguientes procesos incorporan al desarrollo: transferencia, transformación, conservación y degradación? Escoger a algunos compañeros del grupo para responder a las preguntas anteriores y elaborar, entre todos, conclusiones acerca de ellas. Redactar en forma individual en una tarjeta una explicación del concepto de energía y guardarla para un uso posterior. Discutir y comentar si es correcto el uso en una clase de Física del término energía en las siguientes expresiones comunes. • Hoy me levanté con mucha energía. • Es tan malo que luego luego se siente la mala energía. • Voy a las pirámides a recibir energía positiva. • Ya es hora de la comida, siento que me falta energía. • Vivimos en una época de crisis de energéticos. • ¡Apaga la luz para no malgastar la energía! ¿Algunas de las expresiones anteriores se relacionan con las ideas desarrolladas a lo largo de la historia para caracterizar el concepto de energía? Buscar alguna identificación. Leer de manera individual “¿Qué es la energía?”, de Feynman. Regresar sobre la definición elaborada en la tarjeta y los comentarios vertidos en la discusión, a fin de enriquecer la definición elaborada. 6. Leer antes de clase “¿Qué enseñar acerca de la energía y por qué?”, de Gil y otros. Enriquecer el mapa conceptual construido sobre este concepto agregando los conceptos anteriores. Dar un ejemplo de un fenómeno cotidiano en el que se hagan explícitos dichos procesos. También como actividad extraclase leer “Cinética y potencial”, de Hecht y “Energía”, de Hewitt. Hacer un concentrado de la información de los conceptos y cantidades físicas, de sus representaciones matemáticas y de las unidades en que se miden dichas magnitudes. También observar “Conservación de energía” y “Energía potencial” de la colección de videos Universo mecánico (volumen 4), con la finalidad de fortalecer la información de los textos. Dividirse por equipos y resolver las preguntas y ejercicios de las pp. 105, 107, 109, 111 y 116 del libro Física conceptual, de Hewitt. Discutirlas por equipo y escoger a algunos compañeros para que expongan sus soluciones ante todo el grupo. Permitir el diálogo y la discusión cuando las respuestas sean poco claras o existan argumentos incompatibles. Para la discusión y solución de aquellas situaciones que resulten complicadas, consultar los textos trabajados y otros sugeridos en las bibliografías básica y complementaria. 7. Como actividad extraclase realizar los ejercicios de la sección “Piensa y explica”, del libro de Hewitt, pp. 120 y 121. Asimismo, distribuirse por equipo los experimentos 21, 22 y 23 del Manual de laboratorio de Física, de Hewitt. Preparar el material que se utilizará en dicho experimento. 19 En clase, discutir las preguntas de la sección “Piensa y explica” y llegar a acuerdos sobre lo planteado por Hewitt. Realizar los experimentos y nombrar un relator por equipo que anotará el procedimiento que aplicaron. Es importante considerar que para la resolución de las preguntas planeadas hay que realizar una serie de pasos: • Analizar el problema y formularlo de manera que la actividad experimental contribuya a solucionarlo. • Elaborar hipótesis y estimaciones de lo que se espera obtener, así como de las magnitudes y cantidades que se medirán y calcularán. • Contrastación de lo esperado con lo obtenido. • Comunicación de resultados. Poner, a la vista de todos, los resultados de cada equipo y escoger un equipo para que exponga ante el resto del grupo los razonamientos, procedimientos, datos obtenidos, registros y conclusiones de los experimentos y de las preguntas planteadas en cada ejercicio. Permitir el debate sobre las diferencias y analizar las causas por las cuales no se obtuvieron los mismos resultados. Analizar los procedimientos empleados para resolver las situaciones experimentales realizadas anteriormente a fin de revelar la forma en que se han vinculado los contenidos al desarrollo de habilidades, valores y actitudes, así como a cuáles en especifico se ha favorecido con este tipo de trabajo. Considerar el papel que jugaron en la resolución de las situaciones: • Las ideas sobre energía. • La resolución de problemas como estrategia para evaluar el desarrollo cognitivo de los alumnos. • La experimentación como forma para favorecer el desarrollo de habilidades del pensamiento como la elaboración, comprobación y argumentación de posibles hipótesis y el diseño de modelos. • Las actividades prácticas para la clarificación del valor de la tolerancia, del trabajo en equipo y de la posibilidad de ser convencido por argumentos de otros compañeros. Tema 3.Transformaciones de la energía. Principio de conservación de la energía. Degradación de la energía 8. Leer, como actividad extraclase, del capítulo “Termo”, de Hecht, la introducción y los apartados 8.1 a 8.4 y “La mirada de Dios y el grifo que gotea”, de Sagan. Aprovechar la información de las lecturas, para discutir en plenaria: • La diferencia entre la energía mecánica, la térmica y la radiante. • La extrapolación del principio de conservación de la energía mecánica a la energía térmica y a la energía radiante. • Algunos de los mecanismos de transmisión de la energía asociados con el calor y con las ondas (luz y sonido). 20 • Las limitaciones de la generalización directa de la definición mecánica de energía (capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo) al relacionarla con la energía térmica. Realizar los siguientes experimentos y resolver las siguientes preguntas en equipo y, después, escoger a algunos compañeros para que propongan su solución a cada cuestión ante todo el grupo, haciendo énfasis en el diálogo y la discusión acerca de la forma en que se usa el concepto de energía. Cada equipo escogerá un experimento y una pregunta. • Del Manual de laboratorio de Física, de Hewitt, los experimentos 26, 27 y 28, y del libro de Hecht los experimentos 2, 3 y 4 de la pp. 236 y las preguntas de las secciones: 8.1 (4, 5), sección 8.3 (1, 6), sección 8.4 (6, 7). Para la discusión y solución de aquellas situaciones que resulten complicadas, consultar los textos trabajados y otros sugeridos en las bibliografías básica y complementaria. En todos los ejemplos de conservación de la energía definir el sistema en el que se conserva la energía, así como los componentes del sistema que intercambian energía. 9. Leer extraclase “Otras formas de energía”, de Feynman, “Energía y entropía”, de Ben-Dov, y el apartado 8.5 de “Termo”, de Hecht. Hacer un resumen por punteo con la información de cada texto. En clase observar los videos “Electricidad: el invisible río de energía” y “Ondas: energía en movimiento”, de la colección Física elemental, a fin de identificar en equipo, en los ejemplos del siguiente cuadro, algunos tipos, características y procesos de transformación de la energía. Fuente original Tipo aprovechable en el hogar Reconsideración de las transformaciones Sol Energía química de los alimentos Carbón mineral Energía térmica de una plancha Caída de agua Energía luminosa producida por un foco eléctrico Vapor Energía cinética de una máquina de vapor Viento Energía eléctrica doméstica Realizar un diagrama en pliegos de papel que muestre el proceso de transformación y poner cada uno a la vista de todos. Debatir en clase sobre el término de la degradación de la energía, como pérdida de la capacidad de ser aprovechable. ¿Esto implica que no se cumpla el principio de conservación de la energía? ¿Se puede definir un sistema en el que el principio de la energía no se cumpla? ¿Depende del sistema o del tipo de interacción energética? Argumentar. 21 Con la información que se tiene, actualizar las definiciones de energía iniciadas en el tema 1, así como completar el mapa conceptual del término. Escoger a algunos compañeros para que expongan su definición final y su mapa terminado, explicando los agregados y cambios introducidos. Tema 4. Explicación de diversos fenómenos físicos a partir del concepto de energía 10. De manera previa investigar en libros de Física de la biblioteca el concepto de eficiencia energética. También distribuirse los siguientes dispositivos para investigar, discutir y hacer un diagrama en el que se muestre el uso, la transformación y la conservación en las siguientes aplicaciones tecnológicas. Por equipo presentar en carteles los resultados de su investigación: • Celdas solares para calentar agua. • El tostador de pan. • La puesta en órbita de un satélite artificial. • El automóvil. Escoger un equipo por ejemplo para explicar y exponer su funcionamiento en términos de la energía, de sus transformaciones y de la eficiencia energética. Bloque II. La enseñanza de la energía y las dificultades asociadas a su aprendizaje En este bloque se busca propiciar una primera revisión sistemática de algunas de las ideas que los alumnos de la escuela secundaria poseen sobre el concepto científico de energía y de los procesos asociados a él, con la finalidad de que desarrollen habilidades y estrategias para diseñar secuencias didácticas que aprovechen de manera efectiva dichas ideas de los alumnos y las utilicen para generar un cambio cognitivo, ya sea conceptual, procedimental o actitudinal. El objetivo de este bloque es que los estudiantes normalistas identifiquen la resolución de problemas de física como una estrategia fructífera para el desarrollo de conceptos cargados de significado en la que confluyen intenciones, preguntas, imaginación y un esfuerzo por estimar, calcular, predecir, experimentar y analizar fenómenos y procesos físicos y que, aunado al trabajo sobre las ideas que poseen los alumnos, convierten a esta estrategia en una de las más propicias para favorecer el desarrollo de habilidades del pensamiento científico básico en los alumnos de la escuela secundaria. En este bloque se revela la importancia de la investigación de situaciones abiertas y cerradas, así como de la experimentación, como actividades que se pueden volver educativamente positivas si son desarrolladas con ciertos criterios y cuidados; es decir, que pueden apoyar el proceso de enseñanza y de aprendizaje siempre y cuando se centren en el alumno, en sus ideas y estén dirigidas a que pongan en juego lo que saben mediante su aplicación a situaciones concretas en diferentes contextos. 22 Se busca, con la introducción de ejemplos cotidianos, que los estudiantes normalistas se convenzan de que no existe un medio educativo más variado, sugerente y accesible que el propio entorno natural y tecnológico, por medio de los fenómenos y artefactos con los que convivimos, y que aprender a aprovecharlos es un recurso didáctico de valor incomparable. Se trata de una idea sencilla, pero cuya apropiación presenta dificultades porque la mayoría de nosotros no adquirió –o ha perdido– el hábito de mirar con atención y curiosidad el medio que nos rodea. La tarea inicial es, entonces, que los propios normalistas recuperen y ejerciten la capacidad de observar, hacer preguntas, asombrarse y aventurar respuestas, tanto sobre los fenómenos físicos del entorno natural como de otros más amplios. Finalmente se buscará relacionar el aprendizaje de la Física en este nivel con el curriculum de Física de educación secundaria, continuando con la comprensión de la organización curricular propuesta para la enseñanza de esta disciplina en dicho nivel educativo. Temas 1. 2. 3. Conceptualización del término energía. Las ideas de los alumnos sobre la energía. Dificultades en la aplicación del principio de conservación de la energía en sus procesos de transferencia. Cuantificación de la energía. Estrategias didácticas para la resolución de problemas de Física como investigación de situaciones problemáticas abiertas. Bibliografía básica Driver, Rosalind et al. (1994), “Introducción” y “Energía”, en Dando sentido a la ciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños, Madrid, Visor (Aprendizaje), pp. 21-34 y 187-192. García J., Eduardo y Francisco F. García (1989), “El desarrollo del proceso de investigación”, “Partir de problemas”, “Contar con las concepciones de los alumnos”, “Trabajar con nuevas informaciones” y “Elaborar conclusiones”, en Aprender investigando. Una propuesta metodológica basada en la investigación, Sevilla, Díada (Investigación y enseñanza, serie: Práctica, núm. 2), pp. 10-18 y 28-53. Gil Pérez, Daniel y Pablo Valdés Castro (1996), “La resolución de problemas de Física: de los ejercicios de aplicación al tratamiento de situaciones problémicas”, en Temas escogidos de la didáctica de la física, La Habana, Pueblo y Educación, pp. 37-55. Gil Pérez, Daniel, Carlos Furió Más y Jaime Carrascosa Alís (1995), “¿Cómo implicar a los estudiantes en la determinación de los contenidos?” y “Concepciones e intereses de los estudiantes acerca de los cambios”, en Comprender y orientar los cambios de la materia. 1. La energía: la invención de un concepto fructífero. Curso de formación de profesores de ciencias, Madrid, MEC/UNED/UAB, pp. 15-16 y 16-19. 23 Nieda, Juana y Beatriz Macedo (1997), “El aprendizaje como investigación”, en Un currículo científico para estudiantes de 11 a 14 años, México, OEI/SEP (Biblioteca para la actualización del maestro), pp. 146-152. Solbes, J. y F. Tarín (1998), “Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía”, en Enseñanza de las ciencias. Revista de investigación y experiencias didácticas, vol. 16, núm. 3, noviembre, Barcelona, Universidad Autónoma de Barcelona/Universidad Autónoma de Valencia, pp. 387-397. Talisayon, Vivien M. (1996), “Trabajo experimental en física: algunos temas y orientaciones para educación secundaria”, en SEP, La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Lecturas, México, pp.181-184. Varela Nieto, Paloma, et al. (1993),“Exploración de las ideas previas” y “Transferencia y conservación de la energía”, en Iniciación a la Física en el marco de la teoría constructivista, Madrid, Centro de Publicaciones del Ministerio de Educación y Ciencia (Investigación, 85), pp. 33-43 y 44-55. Bibliografía complementaria Barrón Ruiz, A. (1993), “Aprendizaje por descubrimiento: principios y aplicaciones inadecuadas”, en Enseñanza de las ciencias, núm. 11 (primer cuatrimestre), Barcelona, Instituto de Ciencias de la Educación de la Universidad Autónoma de Barcelona, pp. 3-11. Carretero, Mario (1997), “A la búsqueda de la génesis del método científico: un estudio sobre la capacidad de eliminar hipótesis”, en Construir y enseñar las Ciencias Experimentales, Buenos Aires, Aique, pp. 107-125. Gil Pérez, Daniel (1992),“El aprendizaje como investigación”, en Tendencias y experiencias innovadoras en la enseñanza de las ciencias, Valencia, Universidad de Valencia, pp. 21-28. Hierrozuelo Moreno, José y Antonio Montero Moreno (1989), “Ideas previas sobre el concepto de energía”, en La ciencia de los alumnos. Su utilización en la didáctica de la Física y Química, Barcelona, Laia/MEC/Ministerio de Educación y Ciencia (Cuadernos de pedagogía), pp. 137-140. Actividades sugeridas Tema 1. Conceptualización del término energía. Las ideas de los alumnos sobre la energía 1. Leer previamente a la clase “¿Cómo implicar a los estudiantes en la determinación de los contenidos?”, de Gil y otros, y elaborar un resumen con las ideas principales. Seleccionar por equipos algunos libros autorizados para su uso en la escuela secundaria de la asignatura Introducción a la Física y a la Química. Revisar la unidad relacionada con las nociones básicas de energía, a fin de analizar la forma en que se introduce la idea de energía, es decir: • Las actividades que se planean para que realicen los alumnos. • La definición que plantean de energía. 24 • Las analogías y modelos que se emplean. • Las fórmulas que se introducen y los ejercicios matemáticos que se plantean. • La ayuda que ofrecen las imágenes para ilustrar la información del texto. En clase consultar la sección “Enfoque” en el Libro para el maestro. Educación Secundaria. Física y seleccionar aquellos aspectos del texto que identifiquen en los libros revisados. Elaborar un escrito a manera de dictamen sobre la forma en que el libro plantea la introducción del tema. Responder con el escrito algunas de las siguientes preguntas: • ¿El desarrollo de los temas parte de situaciones cercanas y cotidianas a los alumnos? • ¿Se toman en cuenta las ideas de los alumnos? • ¿Se da prioridad a los conceptos, a las habilidades del pensamiento o a las formulaciones matemáticas? ¿O existe un balance entre estos aspectos? • ¿Plantean actividades experimentales y de investigación? • ¿Proporcionan información al profesor para evaluar el desarrollo cognitivo de sus alumnos? • ¿Se plantean las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad? ¿Entre física y matemáticas? • ¿Presentan aspectos que promuevan la integración de las ciencias? Presentar el escrito al grupo y, a partir de los resultados, elaborar dos recomendaciones, sugerencias y cuidados que habría que tomar al trabajar este tema en la escuela secundaria. 2. Recuperar las tarjetas elaboradas en el tema 1 sobre la explicación de la energía. Clasificar las definiciones anotadas de acuerdo con los siguientes criterios: • Asociar la energía con los seres vivos. • Identificar fuerza con energía. • Emplear energía como sinónimo de combustible. • Conceptualizar la energía como algo “casi” material que se almacena. • Vincular la energía con el movimiento y la actividad. • Plantear que la energía puede gastarse. Con base en los malentendidos anteriores sobre el concepto científico de energía y la información que fueron construyendo durante el bloque I, elaborar una explicación más completa que todo el grupo avale. 3. Como actividades extraclase: • Leer “Introducción” y “Energía”, de Driver, y “Exploración de las ideas previas”, de Varela. Enlistar las ideas de los alumnos, conceptualmente incompletas o lejanas del conocimiento validado científicamente y explicar la razón por la cual, desde la disciplina, son erróneas dichas ideas. Guiarse con el siguiente ejemplo: 25 Idea señalada en los textos Confusión entre energía cinética y fuerza Explicación de lo erróneo de la idea Se tiene la idea incorrecta de que los cuerpos están en movimiento por una “fuerza” que los impulsa en la dirección del movimiento. Entre mayor energía cinética tenga el cuerpo, mayor será esa fuerza que lo mantiene en movimiento. Presentar los resultados de esta clasificación al inicio de la siguiente sesión y elaborar conclusiones sobre los errores frecuentes más comunes, así como los conceptos y procesos físicos que el alumno de secundaria debe tener claros antes de iniciar actividades encaminadas al cambio conceptual. Seleccionar por equipos algunas de las ideas señaladas en la relación anterior e iniciar el diseño de una secuencia didáctica para aprovechar esa idea y favorecer que los alumnos reconozcan que su explicación no predice de manera adecuada un fenómeno en particular. Para ello se sugiere consultar varios textos propuestos en la bibliografía complementaria. Tomar en cuenta alguno de los siguientes criterios para clarificar la contradicción detectada: • Diseño de un experimento para aplicar la idea a una situación diferente. • Solución a un problema en el que se hace patente la contradicción. Organizar la presentación de algunas secuencias didácticas y discutir si logran el propósito planteado. Tema 2. Dificultades en la aplicación del principio de conservación de la energía en sus procesos de transferencia. Cuantificación de la energía 4. De manera previa a la clase formar equipos para distribuirse los siguientes ejemplos de fenómenos relacionados con la energía, a fin de investigarlos y explicarlos aplicando la información del bloque I: • Procesos de transformación de la energía necesarios para la producción de la energía eléctrica disponible en los hogares. • Ondas de choque en el caso de un avión supersónico al alcanzar la velocidad del sonido. • Diferencias entre energía, trabajo y potencia, utilizando algunas de las máquinas simples. Explicar la producción de energía en esas tres circunstancias, definiendo el sistema sobre el cuál se conserva la energía, los componentes que interactúan y de qué manera se cumple el principio de conservación de la energía en ese sistema. 26 Localizar en todo este proceso en dónde se podría evidenciar algún error frecuente de los alumnos de la escuela secundaria y proponer sugerencias didácticas para tomarlas en cuenta y trabajar un posible cambio conceptual. 5. Retomar las notas y los comentarios sobre la definición del concepto de transformación y conservación de energía, en particular, los errores conceptuales y los malentendidos que se clarificaron en el tema 3 del bloque I. Anotar dichas ideas y concepciones a la vista de todos y, por equipos, distribuírselas con la finalidad de argumentar la razón por la cual son erróneas desde la perspectiva disciplinaria. Leer “Transferencia y conservación de la energía”, de Varela, y “Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía”, de Solbes. Identificar en las lecturas cuáles son las principales dificultades que se presentan en el aprendizaje de la conservación y de la transferencia de energía. Con base en esta información clasificar las ideas que se presentaron en el estudio del tema de conservación y transformación de energía. Completar con las sugerencias didácticas anteriores una secuencia didáctica que involucre algunas de las siguientes actividades: • Observación de un video. • Actividades que motiven a los alumnos a estudiar el tema. • Incorporación de ejercicios para aplicar las relaciones matemáticas. • Aprovechamiento de los libros de texto aprobados para su uso en la escuela secundaria. • Aprovechamiento de experiencias relacionadas con el conocimiento y contacto con el entorno. • Elaboración de proyectos de investigación. • Realización de experimentos. Tema 3. Estrategias didácticas para la resolución de problemas de Física como investigación de situaciones problemáticas abiertas 6. Leer previamente a la clase “El desarrollo del proceso de investigación”, “Partir de problemas”, “Contar con las concepciones de los alumnos”, “Trabajar con nuevas informaciones” y “Elaborar conclusiones”, de García y García. Elaborar un esquema sobre las etapas a considerar en la planificación y desarrollo de proyectos. Aplicar el esquema diseñado para abordar el siguiente problema de investigación: Para extraer un nucleón (partícula subatómica integrante del núcleo atómico) de un núcleo atómico, ¿es necesario hacer trabajo? ¿Y para regresarlo al núcleo? Ya que el nucleón está fuera del núcleo, ¿este nucleón tiene mayor, menor o igual masa que cuando estaba dentro del núcleo? ¿Por qué? Exponer las producciones de los equipos a la vista de todos y escoger a algunos compañeros para que comenten su trabajo. Una vez terminadas las exposiciones discutir en plenaria: • ¿Qué importancia tienen los conocimientos que poseen los adolescentes al plantear problemas y al desarrollar un proyecto de investigación? 27 • ¿Qué sugerencias dan los autores para el desarrollo de ejercicios de investigación en el aula? • Además de las fuentes de información que señalan los autores, ¿qué otras se podrían consultar al realizar una investigación en la escuela normal y en la escuela secundaria? • ¿Qué papel juegan la observación, la manipulación y la experimentación en los proyectos de investigación? • ¿Qué habilidades y actitudes se promueven al comunicar los resultados de la resolución de problemas y proyectos de investigación? Leer como actividad extraclase “El aprendizaje como investigación”, de Nieda y Macedo, y corroborar sus respuestas con las ideas de las autoras. Aplicar el método de proyectos para desarrollar una secuencia didáctica sobre el tema “Hidrógeno: la fuente de energía del futuro”. Entregar al inicio de la siguiente clase un escrito con sus conclusiones y la secuencia didáctica. Revisar en equipo las secuencias didácticas elaboradas y escoger una para exponerla a todo el grupo. Comentar y hacer sugerencias que puedan enriquecer los proyectos y discutir su viabilidad para trabajar el tema con los alumnos de la escuela secundaria, identificando los conceptos básicos que se desarrollarían, así como las habilidades y actitudes que se pretenderían fortalecer. 7. Leer extraclase,“La resolución de problemas de física: de los ejercicios de aplicación al tratamiento de situaciones problemáticas”, de Gil, y “Trabajo experimental en física: algunos temas y orientaciones para educación secundaria”, de Talisayon. Hacer una lista de las recomendaciones sobre los cuidados que habría que tener al desarrollar con los alumnos de la escuela secundaria la resolución de problemas y el trabajo experimental. En clase, formar equipos para analizar y resolver el siguiente problema utilizando únicamente el análisis del sistema y los componentes que interactúan, así como los tipos de energía que se manifiestan: Un tren de juguete requiere de 6 volts para operar. Si la bobina primaria de su transformador está formada por 240 vueltas de alambre conductor y está conectada a un circuito casero de 120 volts. ¿Cuántas vueltas debe tener la bobina secundaria para que el tren funcione correctamente? Debatir sobre las siguientes cuestiones a fin de elaborar una conclusión. Nombrar un representante del equipo para exponer las conclusiones: • ¿Por qué la resolución de problemas no conduce necesariamente a la comprensión clara de los fenómenos físicos? • ¿Qué diferencias se plantean entre los ejercicios de aplicación y las llamadas situaciones problemáticas? ¿Qué se favorece en el proceso de aprendizaje al cambiar los primeros por las segundas? • ¿Qué relación existe entre los proyectos de investigación, las situaciones problemáticas y las experiencias abiertas? 28 • ¿Cuál es la importancia fundamental de plantear experiencias abiertas? • ¿Qué destrezas y actitudes se pueden desarrollar y evaluar? 8. Retomar los trabajos producidos en los dos temas anteriores sobre el diseño de secuencias didácticas y orientar las actividades planteadas para tomar en cuenta la información de las lecturas realizadas. Discutir y resolver por equipos uno de los siguientes problemas. También discutir y analizar las dificultades que se presentan durante la resolución de los problemas y exponer al grupo los resultados: • Una batería típica de auto de 12 volts tiene una vida útil de 60 ampers por hora sin recargarse. Un chofer distraído olvidó apagar las luces del auto al estacionarlo. Si cada faro usa 3 amperes de corriente, ¿cuánto tiempo va a durar la batería? • Una taza de agua absorbe 21 kilojoules de energía al ponerla en un horno de microondas que trabaja a una potencia de 50 watts por minuto. ¿Qué porcentaje de la energía del microondas absorbe la taza? ¿Qué tan eficiente es el horno? • ¿Cómo se relaciona la segunda ley de la termodinámica con la dirección de flujo de calor? • ¿Cuál es la fuente primordial de energía en el carbón, la madera, el petróleo? • ¿Es posible construir una máquina térmica que no produzca contaminación térmica? • Cuando se habla de energía cinética por molécula, ¿cuál es el concepto que se está discutiendo: calor, temperatura o energía térmica? • ¿Qué procesos energéticos hacen que el Sol brille?, ¿por qué se puede decir que la gravedad es la fuente primaria de la energía solar? • ¿Por qué hay un límite para la masa de una estrella? • ¿Qué significa la fórmula E = mc2? Presentar al grupo la secuencia didáctica y los argumentos bajo los cuáles se planea de esa manera, así como los errores frecuentes que se consideraron. Permitir que el resto del grupo participe con comentarios y sugerencias a fin de mejorar el trabajo, así como dialogar sobre las dudas que surjan al respecto. Incorporar los comentarios a las secuencias y obtener copia del diseño de cada equipo para conformar un portafolio de secuencias didácticas que se pueda emplear en un futuro. Bloque III. Energía y la integración de las ciencias El sentido del bloque es que los estudiantes apliquen y relacionen los conceptos fundamentales de la Física a una variedad de temas científicos y tecnológicos de varias disciplinas científicas, con la finalidad de que reconozcan que si bien el concepto de la energía es una idea fundamental para el estudio de los fenómenos físicos, también lo es para comprender de manera integral algunos fenómenos de las ciencias en general. Dicho análisis permitirá a los normalistas trascender la división del conocimiento por 29 ramas de estudio y plantear estrategias que los conduzcan a integrar el conocimiento al desarrollo de valores y actitudes sobre temas interdisciplinarios y de interés para el alumno. Lo anterior les permitirá aplicar los conceptos fundamentales de la energía, su conservación y degradación a varios temas y avanzar en la comprensión de la concepción física de la naturaleza a través de una selección de conceptos físicos fundamentales: materia, cambio, energía, conservación e interacción. Será útil, para su desempeño profesional, que los estudiantes normalistas identifiquen a la Física como una obra eminentemente humana que está en contacto con algunas de las preocupaciones de los adolescentes, como el hecho de su nutrición y desarrollo personal y el cuidado de algunos de sus órganos y sistemas. Para cerrar el curso se revisan algunos ejemplos sobre los problemas y las preguntas que la Física está investigando y las técnicas y formas en que lo hace. Temas 1. 2. Las explicaciones a los fenómenos físicos vistas a través del concepto de energía. La energía y el curriculum de educación secundaria. Temas de interés: la energía nuclear: riesgos y beneficios. El ahorro energético. Salud y energía: nutrición, audición y visión. Bibliografía básica AAAS (1997), “Transformaciones de la energía”, “Flujo de materia y energía”, “Los recursos ener- géticos y su uso”, “Relación entre la materia y la energía”, “Aprovechamiento de la energía” y “Hábitos de la mente”, en Ciencia: conocimiento para todos, México, Oxford University Press/SEP (Biblioteca del normalista), pp. 50-53, 68-70, 118-122, 154-155, 165167, 187-200. American Chemical Society (1998), “Cómo vivir con riesgos y beneficios”, en QuimCom. Química en la comunidad, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 316-317. Feynman, Richard (1996), “¿Qué es la ciencia?”, en SEP, La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Lecturas, México, pp. 101-108. López Munguía, Agustín (1999), “La moda alimenticia”, en Una mirada a la ciencia. Antología de la revista “¿Cómo ves?”, SEP (Biblioteca para la actualización del maestro), pp. 48-51. Radford, Don et al. (1995), “Objetivos para niños que aprenden ciencia”, en SEP, La enseñanza de la Química en la escuela secundaria. Lecturas, México, PRONAP, pp. 165-171. [Publicado originalmente en Science, Models and Toys, vol. 5, núm. 13, Inglaterra, Simon y Shuster, 1990.] Salcedo Meza, Concepción (1999), “La adicción por la delgadez”, en Una mirada a la ciencia. Antología de la revista “¿Cómo ves?”, SEP (Biblioteca para la actualización del maestro), pp. 44-46. 30 Bibliografía complementaria Bermúdez, Guillermo (1999), “¿Vale la pena cuidar el medio ambiente?”, en Una mirada a la ciencia. Antología de la revista “¿Cómo ves?”, SEP (Biblioteca para la actualización del maestro), pp. 68-70. Chamizo, José A. y Andoni Garritz, (1994),“El cambio”, en Química, Wilmington, EUA, AddisonWesley Iberoamericana, pp. 26-27. Fernández G., José, E. Elortegui y J. Moreno (2000), “Actividades en torno a un taller de energías renovables”, en Alambique, núm. 23, enero, Editorial Graó Educación, pp. 27-36. Garritz, Andoni (1994),“Energía solar” y “Ahorro energético”, en La Química en sociedad, México, UNAM, pp. 108-111, 113-116 y 123-125. Hewitt, Paul G.(1999), “Fisión nuclear”, en Física conceptual, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 631-634. Tonda, Juan (1993), “La energía es deleite eterno”, “El hilo dorado: la energía solar” y “Un foco celeste”, en El oro solar y otras fuentes de energía, México, FCE (La ciencia desde México, núm. 119), pp. 9-14 y 31-38. Actividades sugeridas Tema 1. Las explicaciones a los fenómenos físicos vistas a través del concepto de energía. La energía y el curriculum de educación secundaria 1. Leer de manera previa a la clase “¿Qué es la ciencia?”, de Feynman y analizar de manera específica la explicación referente a la energía –página 104. Reconstruir, aplicando la información del curso y mediante una lluvia de ideas, la cadena de transformaciones que comenta el autor: partir de la energía que mantiene brillando al Sol y terminar con el movimiento del juguete descrito por el autor. Sistematizar las series de transformaciones en un cuadro como el siguiente: Energía inicial Tipo de transformación Mecanismo de transferencia Forma de conservación Forma degradada Escoger a algunos compañeros para que presenten sus resultados ante el grupo y enriquecerlos con los comentarios de los demás. Concluir con una discusión sobre la posibilidad de enlazar contenidos de varias asignaturas por medio del concepto científico de energía. 31 2. Leer previamente a la clase “Flujo de materia y energía” y “Relación entre la materia y la energía”, de AAAS. Caracterizar los tipos de cambios que ocurren en la naturaleza con base en la información de las lecturas y la información del bloque I de la asignatura La Ciencia de las Interacciones entre Materia y Energía, que se estudia de manera simultánea durante el presente semestre. Identificar en Plan y programas de estudio 1993. Educación Básica. Secundaria los programas de las asignaturas Introducción a la Física y a la Química, así como Física I y II. Relacionar cada uno de los temas ubicados en los programas con los contenidos del mapa conceptual. • ¿Hay temas que no se relacionen con los contenidos del mapa conceptual? ¿Cuáles? • ¿Se puede decir que la energía es un eje rector de los programas de Física para la escuela secundaria? • ¿Identifican algún otro eje rector del programa de Física para la escuela secundaria? ¿Cuál? • Con base en los conceptos fundamentales de la Física, estudiados en la asignatura La Ciencia de las Interacciones entre Materia y Energía, ¿se agrupan todos los temas en torno a dichos conceptos? Revisar la estructura de los bloques I y II para reconocer la siguiente estructura del curso: • Se parte del estudio de diversos cambios en diferentes cuerpos y se introduce la idea de que todo cambio lleva aparejada la modificación de una propiedad de esos cuerpos, propiedad que se inicia caracterizando a la energía. • Si se sabe que los cambios en un cuerpo no se producen solos, sino que siempre han de producirse a costa de que otro cuerpo o sistema cambie, se introduce el concepto de interacción. La introducción temprana de la interacción hace frente a la tendencia a interpretar los cambios por medio de una causalidad simple y unidireccional, a la vez que prepara a los alumnos para la introducción posterior de los conceptos de transferencia, conservación y degradación. • Con la introducción del concepto de transferencia, se retoma y fortalece la idea de interacción entre sistemas, así como la noción de que toda la energía es la misma y que sólo pasa de un sistema a otro. A la vez, se introduce el concepto de transformación para explicar cómo los cambios pueden ser internos, o sea que ocurren dentro del mismo cuerpo o sistema. • Mediante el análisis de la transformación de la energía y de la eficiencia de algunos procesos de conversión se introduce la idea de degradación de la energía y se aplica a algunos casos particulares como la muerte térmica del universo. Una vez identificadas las etapas primordiales de la construcción del concepto de energía utilizadas en el programa de esta asignatura, determinar por equipos las habilidades, valores y actitudes que se fomentan con las actividades sugeridas. Vaciar la información en un cuadro como el siguiente: 32 Habilidad que se fomenta Actividad en que se fomenta (describir) Valor que se fomenta Actividad en que se fomenta (describir) Actitud que se fomenta Actividad en que se fomenta (describir) En caso de ser necesaria la identificación de cada campo de formación consultar “Hábitos de la mente”, de AAAS, “Valores, actitudes y habilidades necesarios en la enseñanza de las ciencias y su relación con el desarrollo cognitivo de los alumnos de educación básica”, de SEP y “Objetivos para niños que aprenden ciencia”, de Radford. Presentar los cuadros y comentarlos con todo el grupo. Elaborar una conclusión sobre lo que significa trabajar de manera paralela con los contenidos, las habilidades, los valores y las actitudes propias de la alfabetización científica. Comentar en equipo y después plantear las conclusiones en una plenaria sobre: • La necesidad de planear las actividades docentes a fin de vincular el desarrollo de los contenidos con los propósitos fundamentales de la educación básica. • La posibilidad de evaluar el desarrollo cognitivo de los alumnos de manera sistemática y continua a partir de criterios e instrumentos basados en información como la del cuadro anterior. • El papel fundamental de los contenidos para la formación de valores y actitudes acordes a un ciudadano científicamente alfabetizado. 3. Con base en la información discutida en el bloque II y en las conclusiones de la actividad anterior elaborar una lista con las ideas de todos los alumnos del grupo sobre algunas características fundamentales de las explicaciones a los fenómenos físicos vistas a través del concepto de energía. Utilizar la técnica de lluvia de ideas y en aquellos casos en que existan discordancias precisar con argumentos el sentido de lo que se propone. Tema 2. Temas de interés: la energía nuclear: riesgos y beneficios. El ahorro energético. Salud y energía: nutrición, audición y visión 4. Leer de manera previa a la clase “Cómo vivir con riesgos y beneficios”, de American Chemical Society y “Transformaciones de la energía”, “Los recursos energéticos y su uso” y “Aprovechamiento de la energía”, de AAAS. Investigar también en periódicos y revistas noticias relacionadas con el tema “El aprovechamiento de la energía nuclear”. Con la información recabada iniciar una discusión fundamentada sobre los riesgos y beneficios del aprovechamiento de la energía nuclear. Formar un equipo que argumente a favor de los beneficios por sobre los riesgos y otro equipo que argumente lo contrario; protagonizar con ellos un debate, con un moderador y con los demás compañeros como espectadores con derecho a participar. Definir las reglas del debate de tal manera que se definan tiempos y procedimientos de participación, así como el respeto a las opiniones de los demás y que no se utilicen insultos o descalificaciones. Concluir con comentarios sobre: 33 • La importancia de aprovechar el conocimiento científico de manera que contribuya a que los habitantes de un país tengan la mejor calidad de vida posible (no sólo en lo que se refiere a la satisfacción de las necesidades vitales, sino también de las creadas). • La necesidad de buscar fuentes alternativas de energía que presenten un balance riesgos/beneficios más favorables para todos. • La importancia de las tecnologías, la ingeniería y la ciencia para alcanzar tales fines. 5. Aplicar la misma estrategia anterior para discutir y formarse una opinión sobre el tema “Horario de Verano”. Una vez llevada a cabo la discusión y la toma de posiciones informadas, concluir con comentarios sobre: • Con la información que han estudiado hasta ahora, ¿es correcto referirse a este programa como de “ahorro” de energía? ¿Por qué? • ¿Por qué es necesario ahorrar energía si ésta no se destruye, sino tan sólo se transforma? • Lo que las personas pueden hacer desde sus hogares para tal fin (proponer algunas estrategias). 6. Escribir un pequeño ensayo que desarrolle el tema “La energía y la alimentación”. Escoger a algunos compañeros del grupo para que lean sus ensayos y comentarlos entre todos. Como parte del trabajo extraclase revisar el Libro para el maestro. Educación Secundaria. Biología, pp. 311-315 y realizar la actividad de la página 312 con una persona conocida. Recabar también información sobre las principales actividades que realiza esa persona. De acuerdo con el ensayo y la consulta de las siguientes tablas y los valores reportados en la página 314 del Libro para el Maestro de Biología, elaborar un balance energético. El balance consiste en identificar las entradas, las salidas y la diferencia entre ambas (“Acumulación”). Para ello utilizar las siguientes tablas de datos: Consumo de energía en diversas actividades cotidianas (en Kj) Dormir 4.52 Sentarse 5.82 Pararse 7.32 Caminar 15.50 Cocinar 8.80 Tomado de Juan Tonda (1993), El oro solar y otras fuentes de energía, México, FCE (La ciencia desde México), p. 21. 34 Consumo energético por minuto en cada profesión PROFESIÓN Kilocalorías Kilojoules Trabajo de despacho Secretaria 2.1 8.7 Ejecutivos 2.0 8.6 Director general 1.8 7.5 4.3 18.0 Tallador 2.9 12.1 Mecánico 4.1 17.2 Electricista 3.6 15.1 Camionero 1.6 6.7 Conductor autobús 2.0 8.3 Profesor primaria 2.6 10.8 Profesor secundaria 2.5 10.4 Profesor universidad 2.8 10.6 Trabajo de limpieza Mujer de limpieza Industria Transporte Educación-Investigación Deporte Marcha 14.0 Carrera 32.0 Bicicleta 35.0 Datos tomados de André Giordan (2000), Mi cuerpo, la mayor maravilla del mundo, España, Plaza y Janés, pp. 83-84. Concluir con una discusión sobre lo importante que es llevar una dieta balanceada. Leer “La adicción por la delgadez”, de Salcedo, y “La moda alimenticia”, de López. Enriquecer las conclusiones anteriores con las ideas de estos autores. 35 7. Realizar una investigación sobre la energía de las ondas que captamos con los sentidos de la visión y de la audición. También investigar el funcionamiento de los órganos de cada sentido, los umbrales mínimos y máximos de percepción, los daños que pueden ocurrir al exceder esos umbrales y de ahí derivar hacia los cuidados mínimos que se deben tener para que se mantengan funcionando de manera adecuada. Concluir el tema con un debate sobre: • La relación entre la energía y el cuidado de la salud. • El papel que juega el conocimiento de la transformación y conservación de la energía para el desarrollo del valor de la salud. • La importancia de fomentar el valor de la promoción de la salud individual y colectiva. • La relación de estos propósitos con los de la educación básica en México. Si es posible, invitar a algunos estudiantes de la especialidad de Biología para intercambiar opiniones y conocer sus comentarios acerca del tema. Materiales de trabajo SEP (1995), Libro para el maestro. Educación Secundaria. Física, México. — (1994), Libro para el maestro. Educación Secundaria. Química, México. — (1994), Libro para el maestro. Educación Secundaria. Biología, México. — (1995), La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Audiocinta, México. — (1997), Cómo se enseña hoy Física en la escuela secundaria, México (videocinta). — (1993), Plan y programas de estudio 1993. Educación básica. Secundaria, México. — (1996), Universo mecánico, México. — (1995), La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Guía, PRONAP, México. — (1996), La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Lecturas, PRONAP, México. — (2000), Introducción a la enseñanza de: Física, México. — (2000), “Valores, actitudes y habilidades necesarios en la enseñanza de las ciencias y su relación con el desarrollo cognitivo de los alumnos de educación básica”, en Introducción a la enseñanza de: Física. Programa y materiales de apoyo para el estudio. 2° semestre. Licenciatura en Educación Secundaria, México, pp. 53-69. 36
