L'ensenyament problematitzat de la física quàntica en batxillerat com a instrument de millora de l'aprenentatge

Resumen

Introducción (o motivación de la tesis) La investigación didáctica ha conseguido grandes avances en la comprensión de la forma en que los estudiantes conceptualizan diversas áreas de la física o la química, especialmente aquellas que se introducen en un primer momento al enfrentarse al estudio de estas disciplinas. Es muy abundante la investigación didáctica en física clásica o en composición y transformación de la materia a nivel de educación secundaria, pero estos avances no han tenido impacto en los problemas asociados a la física cuántica. De hecho, a pesar de ser una disciplina de gran importancia, la física cuántica no ha atraído mucha investigación didáctica hasta hace relativamente poco tiempo (Johnston, Crawford y Fletcher, 1998; Fletcher y Johnston, 1999) de manera que los cursos introductorios se han seguido impartiendo de la misma forma en que se hacia des de los años 30 del siglo XX, prácticamente desde que apareció (Johnston, Crawford y Fletcher, 1998; McKagan, Perkins y Wieman, 2008) . La investigación sobre la enseñanza y aprendizaje de la física cuántica se centra especialmente en el nivel universitario, y ni siquiera ha conseguido establecer un consenso sobre aspectos fundamentales como el papel del formalismo matemático y la conveniencia o no de usalo en los cursos introductorios, la orientación metodológica o la presencia de la física clásica, y muy especialmente del modelo de Bohr, en el desarrollo de las unidades (Fischler y Lichtfeldt, 1992; Zollman, 1999; McKagan, Petri y Niederer, 1998; Kalkanis, Hadzidaki y Stavrou, 2003; Perkins y Wieman, 2008). Sí encontramos un consenso general sobre la necesidad de abordar el estudio de la física cuántica al final de educación secundaria. Este interés deriva de la necesidad de establecer un conocimiento que no dificulte el posterior desarrollo de las ideas cuánticas con mayor profundidad (Escalada, Rebello i Zollman, 2004), así como de la importancia del tema para la alfabetización científica de los estudiantes que van a seguir o no estudios científicos o tecnológicos. También hay un consenso general respecto a que la enseñanza actual no está cumpliendo con dichos objetivos. Por otra parte, la investigación didáctica ha puesto de manifiesto que existe una cierta similitud entre las ideas aceptadas por los alumnos y las concepciones mantenidas por los científicos en épocas históricas (Wandersee et al., 1994). Esta coincidencia no es casual, sino que es el fruto de una misma manera de crear y aceptar conocimientos. Como consecuencia de ello, el aprendizaje de los estudiantes ha de ir acompañado de un cambio metodológico y epistemológico que convierta la enseñanza en un proceso de investigación científica en el cual los alumnos se enfrentan a situaciones problemáticas de interés, construyen hipótesis, diseñan y llevan a cabo experiencias para ponerlas a prueba, analizan resultados, establecen conclusiones coherentes con el cuerpo de conocimientos, etc. Esta exigencia de aproximación de la enseñanza científica a las características del trabajo científico ha sido recogida tanto en la literatura didáctica (Hodson, 2003; Gil y Carrascosa, 2006) como en los currículums y proyectos internacionales (National Science Education Standards, 1996; Rocard, 2007). Este proceso de investigación no puede llevarse a cabo de manera autónoma por parte de los estudiantes, sino que deben contar en todo momento con la orientación del profesor, que actúa como guía y experto en el aula. Así, la enseñanza por investigación guiada requiere, además, una implicación actitudinal destacada por parte del alumnado. Solo si se genera y se mantiene en los estudiantes dicha implicación se conseguirá el cambio conceptual efectivo y duradero. Es así como la enseñanza por investigación orientada consigue integrar los contenidos específicos, metodológicos y actitudinales. Desde los años 80 del siglo XX se ha trabajado en los problemas referentes a la introducción de conceptos, los problemas de lápiz y papel o los trabajos experimentales. Posteriormente la investigación didáctica ha abordado el problema de modificar toda una unidad y organizarla en una estructura estructura problematizada, consiguiendo resultados positivos en el aprendizaje y actitudes de los estudiantes (Verdú y Martínez Torregrosa, 2004; Osuna, Martínez Torregrosa y Carrascosa, 2007; Becerra, Gras y Martínez Torregrosa, 2007; Martínez Torregrosa, Verdú y Osuna, 2008; Becerra, Gras y Martínez Torregrosa, 2010; Martínez Torregrosa, Domènech, Menargues y Romo, 2012; Osuna, Martínez Torregrosa y Menargues, 2012). Este modelo de enseñanza se caracteriza por plantear al principio de la unidad situaciones problemáticas que se encuentran en el origen de los conocimientos que han de aprender los estudiantes, organizar el índice de la unidad/problema de manera que responda a una posible estrategia para avanzar en la búsqueda de una solución, introducir los conceptos y modelos con carácter tentativo, como hipótesis fundadas, y concebir la evaluación como un instrumento para avanzar en la resolución de los temas planteados. A la luz de los resultados obtenidos en otras investigaciones, nos planteamos como objetivo diseñar una unidad con una estructura problematizada para la enseñanza de la física cuántica en el bachillerato que permita a los alumnos adquirir mejoras significativas en el aprendizaje de esta disciplina. Desarrollo teórico El diseño de una unidad problematizada exige que se lleve a cabo un estudio histórico y epistemológico con intencionalidad didáctica que permita tomar decisiones sobre su estructura. Dicho estudio debe contribuir a establecer el problema estructurante alrededor del cual se organizará toda la unidad (y el objetivo que se persigue con su estudio), las metas parciales que permitirán avanzar en la resolución del problema principal (y las posibles dificultades para alcanzarlas), la estrategia o índice que permite avanzar y que favorece la revisión de los avances conseguidos, así como la secuencia de actividades concretas y el sistema de evalución. En nuestro caso, el estudio histórico llevado a cabo pone de manifiesto que el problema ¿Cómo se emite y absorbe la radiación? tiene el interés y la capacidad estructurante necesaria para organizar la enseñanza de la física cuántica. Así mismo, el gran objetivo a conseguir es que los alumnos sean capaces de explicar los procesos de emisión y absorción de radiación por los átomos apropiándose de un modelo cuántico basado en el átomo de Bohr y en el concepto de fotón. Además, y para recuperar la coherencia con la física clásica que conocen los estudiantes, han de adquirir y usar un modelo de cuanto de acuerdo con el cual estas entidades se comportan como ondas cuando se propagan y como partículas cuando interaccionan (se emiten o se absorben). Las ideas clave, que servirán para diseñar la secuencia problematizada y permitirán valorar si alumnos están adquiriendo los modelos cuánticos que hemos establecido como objetivos de aprendizaje, se desprenden del estudio histórico y constituyen los indicadores de comprensión. Dichas ideas clave se expresan a través de los indicadores de comprensión, que para nuestra unidad son los siguientes: A.- Reconocer la incapacidad de los modelos clásicos para explicar aspectos concretos de algunos fenómenos de emisión y absorción de radiación. B.- Disponer de un modelo cuántico de distribución de la energía en los átomos y en la radiación caracterizado por: B1.- Considerar que la energía de la materia está cuantizada: B1.1.- Considerar que los átomos solo se pueden encontrar en algunos estados estacionarios caracterizados por valores discretos de la energía en los cuales no emiten energía y que cualquier cambio de energía implica el paso del átomo de un estado a otro. B1.2.- Relacionar la frecuencia de la radiación emitida o absorbida por un átomo con la diferencia de energía entre los estados entre los que tiene lugar la transición. B1.3.- Considerar que las transiciones hacia estados de menor ener¿gia son de carácter aleatorio, tanto respecto al estado final como al momento en que tendrá lugar la transición. B1.4.- Relacionar la diferente intensidad de los colores del espectro con la cantidad de transiciones individuales. B2.- Considerar que la energía de la radiación está cuantizada: B2.1.- Concebir la radiación como un flujo de fotones, entendidos como cuantos de luz sin masa pero con energía y momento lineal. B2.2.- Relacionar la energía de cada fotón con la frecuencia de la radiación. B2.3.- Relacionar la intensidad de la radiación con la cantidad y tipo de fotones que la integran. B3.- Considerar que cada transición está producida por la interacción entre un solo fotón y un átomo o electrón. C.- Reconocer las contradicciones entre la física clásica y la física cuántica. D.- Apropiarse de un modelo de cuanto que permita recuperar la coherencia, lo que supone concebir los cuantos como entes la propagación de los cuales se ha de explicar usando el modelo clásico de onda y la interacción de los cuales se ha de explicar usando el modelo clásico de partícula. Así mismo, a través del estudio histórico y de la investigación didáctica hemos identificado los posibles obstáculos que será necesario superar para que los estudiantes adquieran los indicadores de comprensión. A la luz de las metas parciales, los indicadores de comprensión y de los posibles obstáculos hemos diseñado una estructura problematizada para la unidad de Física Cuántica de 2º de bachillerato. La estrategia lógica que permite avanzar a través de ella en la consecución del objetivo clave comprende los siguientes pasos: 0.- ¿Qué interés tiene el estudio del problema de la emisión y absorción de radiación? 1.- Cada gas tiene un espectro diferente que depende de su estructura atómica individual. Entre todos ellos, el más sencillo es el del hidrógeno. Establecemos un modelo de emisión y absorción de radiación que explique el espectro del hidrógeno. 2.- Ponemos a prueba el modelo elaborado usando otros fenómenos de interacción entre radiación y átomos o electrones: 2.1.- Experimentalmente se constata que hace falta una energía mínima para excitar a los átomos cuando se bombardean con electrones. Cuando la excitación se hace con luz, se necesita una frecuencia mínima. La simetría entre ambos fenómenos permite introducir el modelo cuántico de radiación. 2.2.- Ponemos a prueba el modelo cuántico de radiación estudiando la interacción entre partículas libres y radiación (efecto Compton). 2.3.- Recapitulación y problemas abiertos. 3.- Aplicaciones tecnológicas del nuevo modelo: funcionamiento del láser, LEDs, tubos fluorescentes, objetos fluorescentes y fosforescentes, etc. 4.- Búsqueda de un cuerpo de conocimientos coherente que dé respuesta a los problemas generados al establecer el modelo cuántico de emisión y absorción de radiación: 4.1.- Establecimiento de un modelo para la luz que explique los fenómenos de emisión y absorción y los fenómenos ondulatorios. 4.2.- Teniendo en cuenta dicho modelo, ¿Qué podemos saber de la posición y momento lineal de los fotones? El principio de incertidumbre. 4.3.- ¿Como explicar la existencia de estados estacionarios en los átomos? Generalización para las partículas materiales del carácter cuántico de la radiación). 4.4.- Recapitulación. 5.- Problemas abiertos: dificultades para aplicar el modelo de cuanto establecido a los electrones ligados. El modelo cuántico de átomo. Una vez diseñada la unidad problematizada, hemos analizado su relevancia didáctica. Nuestra primera hipótesis es que las metas parciales, los indicadores de comprensión y los obstáculos identificados para la comprensión de como se emite y absorbe la radiación son didácticamente relevantes para la mejora didáctica. El estudio, a través de cuestionarios y entrevistas a profesores de secundaria y alumnos de bachillerato y universidad, junto con el análisis de los libros de texto más comunes, nos permiten concluir que la enseñanza habitual no contempla una parte importante de las metas parciales y de las dificultades de aprendizaje, y no consigue que un elevado porcentaje de los estudiantes adquieran los indicadores de comprensión. Estos resultados nos han llevado a desarrollar la secuencia de actividades de la unidad, de acuerdo con las conclusiones del estudio histórico. Nuestra segunda hipótesis establece que la puesta en práctica de la secuencia de actividades producirá mejoras significativas respecto a la enseñanza habitual. Para contrastarla hemos analizado, a través de cuestionarios y entrevistas, el aprendizaje conseguido por los estudiantes, así como las actitudes que en ellos se han generado. Los resultados ponen de manifiesto diferencias significativas respecto a los grupos de control, especialmente en la adquisición del modelo de emisión y absorción de radiación y del modelo de cuanto. Así mismo, hemos constatado un impacto sobre los indicadores de apropiación similar al conseguido a través de la puesta en práctica de otras unidades con una estructura problematizada. Conclusión Los resultados obtenidos presentan evidencias de que se puede diseñar una unidad con una estructura problematizada para la enseñanza de la física cuántica en 2º de bachillerato. El protocolo seguido para ellos ha demostrado ser eficaz una vez más. El problema estructurante, el objetivo clave, las metas parciales, los indicadores de comprensión y los posibles obstáculos identificados y establecidos durante el diseño de la unidad son didácticamente relevantes. De hecho, la mayor parte de los estudiantes (especialmente los de bachillerato) no adquieren los indicadores de comprensión a través de la enseñanza habitual: no reconocen los problemas que históricos que llevaron al establecimiento de las primeras hipótesis cuántica, no disponen de un modelo capaz de explicar los fenómenos cuánticos de emisión y absorción de radiación y tampoco identifican los problemas que tuvo que superar la comunidad científica para aceptarlo. Así mismo, no han adquirido un modelo de cuanto que les permita explicar el comportamiento de fotones y electrones. La mayor parte del profesorado tampoco dispone de estos modelos y las concepciones incorrectas que mantienen respecto a ellos coinciden en gran medida con las de los estudiantes. Por último, los libros de texto no contemplan los obstáculos que hace falta superar para que dichos modelos sean adquiridos, además de presentar una enseñanza marcadamente formulística y aproblemática. La puesta en práctica de la unidad con una estructura problematizada para la enseñanza y aprendizaje de la física cuántica, basada en las conclusiones obtenidas en el estudio histórico y en la primera parte de esta investigación, producen mejoras significativas respecto a la enseñanza habitual. Obtenemos evidencias de que los estudiantes adquieren una mayor comprensión del modelo cuántico de emisión y absorción de radiación y del modelo de cuanto, y que son capaces de usarlos correctamente en situaciones diversas. Además, contribuye a la adquisición de los indicadores de apropiación y genera actitudes positivas en los alumnos, con resultados mejores que los obtenidos en otras investigaciones sobre unidades problematizadas. No debemos obviar, sin embargo, que hay aspectos en los cuales no se han obtenido resultados positivos. Así, el porcentaje de estudiantes experimentales que ha adquirido los indicadores de comprensión que hacen referencia a aspectos históricos (los problemas que están en el origen de la física cuántica y las dificultades que tuvo la comunidad científica para aceptar los primeros modelos cuánticos) ha sido bajo, cercano al 35% en ambos casos. De hecho, respecto a la identificación de las dificultades de la comunidad científica para aceptar el concepto de fotón se obtiene porcentajes de adquisición ligeramente inferiores a los de los grupos de control de bachillerato. Esto nos obliga a replantear la manera en que se abordan estos aspectos y a seguir investigando y modificando la unidad para alcanzar resultados positivos. Esta investigación abre nuevas perspectivas de trabajo que han de contribuir a la extensión y generalización de la investigación llevada a cabo. Entre otros aspectos, se debe ampliar el modelo de cuanto introducido para dar cuenta de los orbitales atómicos desde una perspectiva funcional que permita explicar, al menos, la emisión y absorción de radiación. Tampoco hemos de olvidar que algunos estudiantes de 2º de bachillerato también estudian la materia de Química, en la cual se aborda el problema de la estructura atómica y algunos aspectos de física cuántica. La investigación debe contribuir a diseñar una unidad para la materia de Química que introduzca correctamente los modelos atómicos que no contemplan la cuantización de la energía y que se aprovechen como punto de partida para introducir posteriormente la cuantización. Hace ya un siglo que se establecieron los modelos cuánticos trabajados en esta unidad pero en los cursos introductorios de física cuántica se continua hablando de dualidad onda-partícula, de que la materia es a veces onda y a veces corpúsculo, etc. Actualmente, el desarrollo de la física cuántica, y su éxito experimental, exige que se superen estas ambigüedades y que se conciban los cuantos como un modelo que ha contribuido a avances sociales y tecnológicos fundamentales que forman parte de nuestra vida cotidiana.