Cuadernos de Educación y Desarrollo

Vol 3, Nº 25 (marzo 2011)

LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA ANTE EL RETO DE LA COMPLEJIDAD. EJEMPLO DE SISTEMA DE TAREAS DOCENTES PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA AGRÓNOMA
 

Mario Luis Marrero Caballero (CV)
Manuel Colón González
mmarreroc@vru.uho.edu.cu
 


 

RESUMEN

El presente artículo pretende poner sobre la mesa de discusión un tema álgido en la enseñanza de la física actual: ¿Cómo contribuir a una enseñanza de la física que no excluya completamente la complejidad de los procesos que estudia? Hace una reflexión teórica sobre los cambios actuales en la episteme de la física. Cambios que deben tener una salida docente porque se correría el riesgo de ser excluidos como sujetos del pensamiento científico contemporáneo.

También propone puntos de vistas para la reflexión pedagógica. Estos puntos son posibles referencias para la inclusión curricular de elementos del enfoque de la complejidad.

Un sistema de tareas docentes es propuesto para tratar de, en la dimensión práctica de los procesos tecnológicos azucareros, incluir la complejidad presente en la unidad de termodinámica, de la asignatura física 1, de la carrera de Ingeniería Agrónoma.

Palabras claves. Complejidad, lógica no lineal, epistemología de la Física, tareas docentes, no linealidad, Termodinámica.

En el paraíso el conocimiento exhibido, probar su fruto ha causado la expulsión del hombre de ese mundo sin conflictos, pero sin pasión y sin sabiduría. En la esperanza de volver a ese estado de pureza indiferenciada, muchos creyeron, y creen, en la posibilidad de una razón pura, desapasionada, desubjetivizada, ligada sólo por conexiones lógicas a un mundo objetivo, abstracto, matemático. Dense Najmánovich.

(Najmánovich, 2005)

INTRODUCCIÓN

Es conocido que los textos de física y los concomitantes procesos de enseñanza influyen de manera decisiva en la concepción de modelos específicos de actuación general del estudiante y del futuro profesional. El problema surge cuando se desactualizan y contribuyen a la estabilización de conocimientos y actuaciones que están en proceso de quedar en el anacronismo que provoca el vertiginoso proceso de exploración de la realidad por parte de la ciencia.

La episteme de la física ha sufrido grandes cambios en la segunda mitad del siglo veinte y en este difícil comienzo de milenio. Podríamos caracterizar de forma breve el panorama de la ciencia física actual de la siguiente manera: un replanteo radical de la causalidad física, el parcial abandono de la logicidad bivalente y maniquea, el papel del observador y de la presencia de la subjetividad humana en el estudio de los procesos físicos, el profundo cuestionamiento de la neutralidad científica, el abandono de la concepción de la naturaleza como un ser estúpido y pasivo, el cuestionamiento de la disciplinariedad rigurosa, etc.

Mientras estos cambios suceden dentro de la turbulencia de discusiones entre físico y epistemólogos, la mayor parte de las universidades cubanas espera al cambio. Sería muy cuestionable el hecho de perder la condición de sujeto de un cambio que perfila la emergencia de una ciencia nueva.

La lectura de textos desactualizados y la enseñanza mecánica de teoremas y leyes deterministas no puede contribuir mucho a la incorporación del estudiante y del profesional al campo de la creación y difusión de ideas nuevas. Más que conocimientos empaquetados para formar un estado de opinión y de actitud, se trata de formar un profesional capaz de enfrentar la complejidad de los procesos que pretende controlar y manipular.

En el campo de la ingeniería, esto toma matices importantes. Con la excepción de algunos procesos mecánicos, el campo de acción ingenieril en complejo. La ingeniería agrónoma, por ejemplo, necesita aprender a modelar la relación compleja entre el suelo, las plantas, el contexto y el medio. Los factores que afectan esta red de relaciones son múltiples y tienen carácter no lineal. ¿Sería posible que un profesional formado en la interpretación de leyes deterministas y en su aplicación lineal, pueda asumir un reto de tal complejidad?

El presente trabajo pretende explorar algunos de los cambios en la forma de hacer física en los últimos años. Cambios que no se han impuesto pero que forman parte de la manera de hacer ciencia de centros científicos de renombre como el Instituto de Santa Fe, de algunos sectores de la Universidad Autónoma de México, de la Universidad Edgar Morin, etc.

También pretende reflexionar sobre la pertinencia de ciertos cambios en la enseñanza de la física. No se trata de replantear sus bases pedagógicas sino de ir poniendo sobre la mesa temas de discusión que podrían ser parte de la discusión de un nuevo paradigma de la enseñanza en el futuro.

El trabajo propone un ejemplo de sistema de tareas docentes para la unidad de termodinámica de la asignatura Física I. No es otra cosa que la propuesta de un acercamiento a la realidad física dentro de un central azucarero. Podría ser en una destilería o en una fábrica de cemento.

Podría pensarse que la propuesta es un paliativo a la crítica situación que padecen muchas de nuestras universidades con respecto a la experimentación en laboratorios. Esto podría servir, pero va más allá. Se pretende provocar el encuentro del estudiante con la realidad física compleja. También podría diseñarse el sistema de actividades docentes para un ambiente natural o para fenómenos que no dependen de la producción.

Queda en el aire un conjunto de temas que deben ser discutidos en artículos y foros: ¿cuáles deben ser los métodos adecuados?, ¿cómo abordar la relación ciencia clásica-ciencia contemporánea?, ¿Cómo trabajar en la emergencia de nuevos valores mediante la enseñanza de la física?, etc. Sólo estamos incitando a la polémica y a la búsqueda colectiva de soluciones.

DESARROLLO

Huellas del cambio en la física actual: un replanteo necesario en nuestra forma de pensar.

Una gran confusión ha tenido que vivir el hombre del siglo veinte. Una crisis de la física que hizo pensar en su colapso como sistema de conocimiento, el surgimiento de teorías que modificaron la concepción del espacio y el tiempo, una incursión dentro de los niveles básicos de la materia que descubre un mundo insólito e irreductible, el descubrimiento de sistemas disipativos que huyen del orden pero que crean estructuras, etc.

Todo visto así parece un proceso lógico y continuo. Pero la visión clásica de la ciencia ha anclado raíces de extrema profundidad. Ha escrito Nieves García que “la visión clásica de la racionalidad científica partía del supuesto latente de un sujeto absoluto del conocimiento: el objeto era el que iba siendo desvelado a la humanidad gracia a la labor de una razón absoluta, idéntica para todos (…) ‘‘(García, 2005). Por otro lado, la sociología de la ciencia de la primera mitad del siglo veinte resaltó el éxito unánime de los resultados del método clásico, pensadores como Popper y Merton consideraron que los desacuerdos entre científicos eran transitorios. Otras mentes posteriores como Kuhn y Feyeraben resaltaron el desacuerdo, pasándole por arriba al hecho de que también existía una base de consenso. (Rodríguez, 1997)

En física, la hipótesis del bootstrap, según Capra :

(…) no sólo niega la existencia de constituyentes fundamentales de la materia, sino que no acepta ningún tipo de entidades fundamentales, sean cuales sean _ leyes, ecuaciones o principios fundamentales_ y como consecuencia abandona otra idea que ha sido parte esencial de la ciencia natural durante cientos de años. El concepto de las leyes fundamentales de la naturaleza deriva de la creencia de un legislador divino que estaba profundamente arraigado en la tradición judeocristiana. (Capra, 2005)

Este texto resume un poco el cambio de espíritu que ha vivido parte de la física en los últimos tiempos. La búsqueda de un mundo básico quizá sea el intento de tocar fondo para poder explicar toda la realidad. Un conocimiento exacto de lo ultra pequeño podría hacer avanzar con paso firme y nivel a nivel, hasta el conocimiento completo de la realidad. Una ciencia que culturalmente ha tenido condicionantes en la cosmovisión que se funda en el Dios único, o en la concepción totalitaria del poder político, no puede aspirar a otra cosa que a jerarquizarlo todo.

El pensamiento de la complejidad es una de las perspectivas cosmovisivas y metodológicas que se abre paso en la actualidad. No es una teoría única ni un paradigma conformado, pero muestra múltiples posibilidades de superación del atávico paradigma físico. Edgar Morin y Anne Kern resumen de la siguiente manera este pensamiento:

1. Es un pensamiento radical (que va a la raíz de las cosas).

2. Un pensamiento multidimensional.

3. Un pensamiento sistémico que conciba la relación todo-parte de forma hologramática.

4. Un pensamiento ecologizado que en vez de aislar el objeto estudiado, lo considere en y por su relación auto - ecoorganizadora en su entorno cultural, social, económico, político, natural.

5. Un pensamiento que conciba la ecología de la acción y la dialéctica de la acción y sea capaz de una estrategia que permita modificar, anular incluso, la acción emprendida.

6. Un pensamiento que reconozca que está inconcluso y que negocie con la incertidumbre, especialmente en la acción, pues sólo hay acción en lo incierto. (Morin y Kern, 1993: 194)

Todo esto significa una reforma casi completa del pensamiento. Marchamos de la concepción de una realidad dada definitivamente a nuestro aparato cognitivo al encuentro de una realidad construida. ‘‘El objeto de la física ya no se corresponde a una intuición ingenua. Toda definición (…) surge de una construcción físico-matemática sometida a las exigencias de nuestro diálogo experimental con la naturaleza. ‘‘(Prigogine, 1997: 155) La concepción refleja del pensamiento considera al hombre como un espejo cognitivo. Los intentos de convertir este reflejo en creador no satisfacen la expectativa del descubrimiento de un mundo activo y complejo. Escribe Denise Najmánovich que ‘‘Algo es un problema para alguien, respecto de algún punto de vista particular, de alguna esperanza o de una expectativa: no hay problema in abstracto, somos nosotros y no un supuesto mundo en si, objetivo, los que tenemos problemas. ‘‘(Najmánovich, 2005) Desde el surgimiento de la mecánica cuántica, el físico se vio obligado a pensar.en su realidad como construcción. El papel del observador vino a reformular la noción de objetividad clásica. Las epistemologías de segundo orden están actualmente asumiendo la tarea de incluir la carga subjetiva del investigador en las características de la realidad indagada.

La enseñanza de la física: nuevos retos.

La enseñanza de la física con que contamos en la actualidad, hereda en gran medida la forma en que se investigó durante los siglos de oro de la mecánica newtoniana. Se trata de incluir en el currículo un conjunto de leyes físicas con el supuesto de que dominando éstas, el estudiante puede abrirse paso, solo, en el entramado de relaciones que conforma el mundo físico.

Detrás de la idea comentada en el párrafo anterior, está la actitud del inquisidor que enseña la pureza como mecanismo para mantener la castidad de una realidad virgen y sacrosanta. El criterio de corruptibilidad estaría en la mácula de la subjetividad del investigador.

Los nuevos modelos pedagógicos permiten una mayor libertad a la hora de trazar estrategias que fomenten el aprendizaje autónomo por parte de los estudiantes. No obstante, no basta con variar el modelo de enseñanza si los currículos mantienen su rigurosidad positivista.

Algunos criterios, que en la opinión del autor del presente artículo deberían discutirse en el contexto de la enseñanza de la física en Cuba, serán explicitados a continuación.

1. El problema de la relación causa-efecto: La enseñanza actual de la física plantea esta relación según la concepción lineal. Por ejemplo, La velocidad instantánea en un punto determinado de la trayectoria puede describirse como la primera derivada del desplazamiento con respecto al tiempo. Es decir, v= dx/dt. Si tenemos que x=f(t) es una función cuyo exponente máximo es cúbico, decimos que no es una ecuación lineal. Pero aquí, en esta exposición, la linealidad es más que un criterio aritmético, viene siendo el hecho de que los efectos son proporcionales a las causas. Una función lineal, en este sentido, debería predecir sin imprecisiones el futuro y el pasado del sistema que describe. El ingeniero, al enfrentarse a procesos no lineales como los termodinámicos, los biológicos, etc. se encuentra ante una situación paradójica: está preparado para calcular y para predecir, pero sus ecuaciones no tienen el mismo valor en momentos diferentes del proceso estudiado. Lo que aquí se propone no es un abandono de los modelos lineales sino la enseñanza de sus límites y la introducción hacia alternativas que permitan concebir, en determinado nivel, soluciones cualitativas complejas.

2. Aunque la renuncia a la enseñanza de leyes, tal y como fueron concebidas por la física clásica, no es pertinente; sí debería enfocarse las mismas desde una perspectiva histórica, definir los límites de validez y dejar abierta la posibil9dad de alternativas.

3. Se pueden fomentar formas de aprehensión de la realidad que no se basen solamente en la razón. El ejemplo que más adelante se propone puede servir como ilustración para el intento de actualizar la potencialidad cognoscitiva de los estudiantes. La intuición puede, y de hecho lo ha venido haciendo siempre, servir como una de las vías utilizadas pos docentes y discentes. Capra opina lo siguiente:

El conocimiento racional y las actividades racionales ciertamente constituyen la principal parte de la investigación científica, pero no son todo cuanto hay en ella. La parte racional de la investigación sería, de hecho, inútil si no estuviera complementada por la intuición que ofrece a los científicos nuevas perspectivas y los hace creativos. (Capra, 2005)

4. La enseñanza de la física debe recobrar su carácter transdisciplinar. Se dice recobrar en el sentido de que los griegos del período cosmológico no utilizaron un método analítico en la indagación de la realidad. A esto podría criticársele el hecho de que hoy los conocimientos acumulados son mucho mayores, pero la propuesta no tiene que ver con la búsqueda de un conocimiento completo sino con la aplicación de una visión escalar del objeto de estudio. El físico del instituto de Santa Fe, Murray Gell-Man, ha advertido la conexión disciplinar entre la geología, la biología y la psicología. Plantea que ‘‘Las amplificaciones pueden darse en virtud de multitud de mecanismos, entre ellos el fenómeno del caos (…)‘‘ (Gell-Mann, 1995: 153). Najmánovich escribe ‘‘(…) la interdisciplina es el diálogo entre diferentes, manteniendo y disfrutando el poder creativo de la diferencia, enriqueciéndonos con ella. ‘‘(Najmánovich, 2005). La matematización excesiva ha contribuido a que en la enseñanza de la física, exista un claustro disciplinar. Por ejemplo, si se explica el comportamiento de un gas, la referencia tomada va por niveles: primero, si el comportamiento es ideal se relacionan la presión, el volumen y la temperatura absoluta; si se sube un poco al estudio de gases reales, hay que tener en cuenta además, el covolumen y los otros factores de corrección. Siempre hay un proceso de simplificación que termina en la limitación del horizonte cognoscitivo de los estudiantes. ¿Cómo concebir formas transdisciplinares de impartir estos conocimientos? Esta es una pregunta merecedora de una atención especial dentro de los espacios de debate pedagógico.

5. Sería interesante remitirnos a un aspecto medular de la enseñanza de la física: el desarrollo de las habilidades explicativas e interpretativas. Un proceso físico es explicado si sus condicionantes son expuestas como regularidad. Entonces los estudiantes pueden tener información sobre el proceso en estado estacionario. Pero la evolución de la mayoría de los sistemas físicos multidimensionales es más frecuente dentro del marco del desequilibrio. En este sentido, la enseñanza de la física puede preparar a los estudiantes para la explicación puntual y cualitativa. Maturana ha escrito:

Si queremos entender el fenómeno del conocimiento, si queremos entender el sistema nervioso, si queremos entender el lenguaje, si queremos entender lo que pasa en la convivencia, tenemos que hacernos cargote este curioso fenómeno: los seres humanos, los seres vivos en general, no podemos distinguir en la experiencia entre lo que llamamos ilusión y percepción como afirmación cognitiva sobre la realidad. (Maturana, 2001: 21-22)

Se trata de plantear una reformulación didáctica a partir de la experiencia. Se está de acuerdo con Maturana de que toda explicación es una reformulación de lo vivido individualmente. La propuesta didáctica se basa en el aprovechamiento de procesos complejos para fomentar la habilidad de la explicación de tales fenómenos, una vez interpretados por el estudiante. Es decir, la comparación de los modelos lineales disponibles con procesos reales de gran complejidad, no sólo les brinda la oportunidad de ampliar su horizonte cognoscitivo sino que facilita el replanteamiento de cuestiones, de carácter epistemológico.

Ejemplo de sistema de tareas docentes encaminado a favorecer un enfoque complejo dentro de la unidad de termodinámica, de la asignatura física 1 en la carrera de Ingeniería agrónoma.

La termodinámica parece haber estado dentro de las primeras ramas de la física que no pudo asimilar por mucho tiempo el mecanicismo clásico. Por supuesto que no es la única en que podría plantearse una estrategia para un trabajo con el enfoque de la complejidad.

Se desea aclarar que cuando se refiera el método de la complejidad como uno más, se refiere a los siguientes aspectos:

o Motivación del estudiante mediante la utilización de un proceso físico real y complejo.

o No uso del análisis ni de la síntesis sino del estudio escalar del fenómeno en cuestión.

o Concepción contextual y real del proceso de enseñanza aprendizaje. Es decir, si la enseñanza tradicional, como toda la ciencia clásica, e s mononivel, el método propuesto articula los niveles micro con los macro. Se enfoca en las propiedades emergentes.

o Carácter transdisciplinar de la explicación del fenómeno físico.

o Búsqueda de la formación del estudiante autopoiésico. Aquí, el autor se refiere a la creación de condiciones para que los conocimientos emerjan con la participación activa del estudiante miso.

Esto es sólo una propuesta de método de enseñanza que sirve de manera operativa para los fines de la actual investigación.

Sistema de tareas docentes

Con el objetivo de garantizar el carácter sistémico complejo de las tareas docentes, se utiliza el proceso de producción de azúcar. Cada elemento de este inmenso sistema se enlaza con el otro a través de acciones y retroacciones de naturaleza no lineal.

Tarea docente 1

Título: Explicación general de fenómenos físico-químicos en el proceso azucarero.

Objetivo: Explicar los fenómenos de índole físico – química, desde la preparación de la caña hasta la cristalización del azúcar.

Métodos de enseñanza: Explicativo-ilustrativo, elaboración conjunta, trabajo independiente y método de la complejidad.

Situación de aprendizaje: El profesor, el tecnólogo principal de la fábrica y los estudiantes realizarán un bosquejo general del proceso azucarero. Se hará hincapié entre los límites y confluencias de procesos físicos, biológicos y químicos.

Procedimiento:

1) Explicación teórica del proceso de producción. Incluir el problema económico y de recursos humanos. (15 minutos).

2) Visita al área de recepción de la materia prima y de preparación de la misma. El profesor interactuará con los estudiantes buscando que intuyan procesos físicos y químicos. (20 minutos).

3) Visita al área de molinos. Se explicará el comportamiento probable de la caña al pasar por los molinos. Identificar entre todos procesos físicos. El profesor los relacionará con fenómenos biológicos como la infección microbiana con Leuconostoc Mesenteroide. Relacionará también algunos aspectos químicos como el desdoblamiento de la sacarosa en glucosa y fructosa y preguntará ¿afecta esto alguna propiedad física? ¿Cómo afecta a las propiedades físicas del jugo la infección microbiana y la aparición de polisacáridos de alto peso molecular?.

4) Visita a la planta de producción de vapor. El profesor y el tecnólogo explicarán los procesos reales que allí ocurren y mostrarán la parte que es posible constatar tácticamente: observar la combustión en los hornos y preguntar ¿Qué característica botánica de la caña de azúcar puede favorecer o dificultar la combustión que se observa? ¿Qué otros factores afectan el proceso de combustión? ¿Cómo se conduce el vapor? ¿para qué se recubre con amianto las tuberías de acero?. La presencia del tecnólogo resultará mediadora entre la participación de los estudiantes y el profesor.

5) Visita al área de fabricación. El tecnólogo explicará los posibles esquemas de alcalización. El profesor insistirá en el aspecto químico-físico de la alcalización y preguntar cómo esta afecta a propiedades del guarapo como la viscosidad, la densidad y el punto de ebullición. También observarán el área de calentamiento del jugo. El tecnólogo debe explicar las influencias de este en las propiedades físicas. Preguntar a los estudiantes ¿Cómo se transmite el calor en estos equipos? ¿De qué factores depende? ¿A cualquier temperatura, el flujo de calor se comporta de la misma manera? ¿Se cumplirá ciento por ciento la ecuación de Fourier? ¿De qué depende su valor explicativo y predictivo?

6) Observar en los tachos el proceso de cristalización del azúcar. El estudiante aprenderá a obtener muestras directas con la sonda. Observará las lecturas de la presión en el vacuómetro del cuerpo y en el manómetro de la calandria. Relacionará estas lecturas con la temperatura del vapor. Hacen hincapié en la no linealidad de estos procesos, refiriéndose a la elevación del punto de ebullición del jugo por el efecto del aumento de la concentración y la disminución de este parámetro físico con la disminución de la presión. Relacionar estos procesos con los cambios físico-químicos que experimenta la sacarosa. Por ejemplo, destrucción de moléculas de sacarosa por la temperatura, cambios en el color, influencia de los cambios de color en el aspecto económico, etc. Siempre se tratará de utilizar conversaciones heurísticas y aprovechar que algunos estudiantes han trabajado en procesos azucareros.

7) Estudio Individual: Se le orientará a los estudiantes escoger un proceso de los observados y redactar un texto en el que lo describa y explique.

Medios de enseñanza:

o Equipos del proceso de producción de azúcar.

o Procesos reales y complejos.

o Lámina que muestra el flujo productivo.

o Pizarra para realizar un resumen de los principales procesos observados.

Evaluación:

Evaluación de la actividad: Se tendrá en cuenta la sistematicidad, el nivel de motivación logrado, la participación activa de los estudiantes.

Evaluación de los estudiantes: Será cualitativa. Tendrá en cuenta sus respuestas, motivación y creatividad en las conversaciones heurísticas.

Tarea docente 2

Título: Familiarización fáctica de los elementos conceptuales esenciales para la física molecular y la termodinámica. (Corresponde al tema 4 de la unidad de termodinámica)

Objetivo: Describir procesos termodinámicos como la transferencia de calor, el equilibrio, el desequilibrio y el alejamiento del comportamiento ideal de un gas. Se trabajará para aumentar la probabilidad de emergencia de valores epistémicos pertenecientes a la racionalidad no clásica, de valores morales y estéticos.

Métodos de enseñanza: Utilizar el método explicativo-ilustrativo, el de elaboración conjunta, el estudio independiente y el método de la complejidad.

Situación de aprendizaje: Se crearán las condiciones para que los estudiantes se motiven por el hecho de participar en un proceso real que tiene una implicación social importante. Plantear de manera general como fenómenos estudiados en clase tienen su correspondiente en este proceso.

Procedimiento:

Momento 1 Visita al clarificador de jugote caña.

1. Descripción técnica de la estructura del clarificador, su función y funcionamiento.

2. Identificación del clarificador como sistema termodinámico. Solicitar a los estudiantes que localicen las fronteras del sistema, describan el entorno y el resto del universo. Se realizará una conversación heurística como la siguiente: ¿Por qué estamos en presencia de un sistema termodinámico? Ubique los elementos estructurales del sistema. ¿Por qué es necesario aislar el entorno de los componentes del sistema? ¿Qué relación existe entre el entorno y los componentes? ¿Estamos en presencia de un equilibrio termodinámico? ¿Por qué? ¿Qué factores pueden variar este equilibrio?

Momento 2. Visita a los evaporadores de jugo de caña. Preevaporador y múltiple efecto.

1. Describir y explicar la estructura de los evaporadores. Explicar función y funcionamiento. Hacer énfasis en los medidores de presión negativa y positiva y en los termómetros.

2. Presentar el vaso melador. Mostrar el cuerpo y presentarlo como un lugar en el que el vapor de agua se acerca al comportamiento ideal por su baja presión. Constatar el vapor a alta presión y comparar su comportamiento con el vapor del cuerpo. Se puede preguntar: ¿Qué modelo teórico estudiado debe describir mejor el vapor en el cuerpo? ¿Qué modelo teórico debe describir mejor el comportamiento del vapor en la calandria? ¿Qué variables son las consideradas en cada una de las ecuaciones? Determinar los factores que influyen en la descripción real con los que se tienen en cuenta en cada ecuación. Hablar de la variación entre la presión, la temperatura y el volumen. ¿Será una variación lineal? ¿Cómo describe esta variación las ecuaciones? Utilizar una pizarra para mostrar el comportamiento de las ecuaciones y comparar su exactitud con el comportamiento del gas real.

3. Estudio independiente: Describir por escrito los fenómenos observados. Tener en cuenta el nexo entre el comportamiento microscópico y el macroscópico.

Medios de enseñanza: Equipos tecnológicos como el clarificador de jugo, el preevaporador y el cuádruple efecto. Se utilizará una pizarra.

Evaluación:

Evaluación de la actividad. Se tendrá en cuenta el nivel de motivación logrado en los estudiantes, la participación activa de los mismos, el logro de la sistematicidad y la transdisciplinariedad. Esta evaluación será cualitativa.

Evaluación de los estudiantes. Se realizará cualitativamente y de forma individual. Tener en cuenta su participación en los diálogos heurísticos, su creatividad y pensamiento procesal.

Tarea docente 3

Título: Actividad teórico-práctica sobre termometria.

Objetivo: Demostrar el principio de funcionamiento de los termómetros a partir del estudio de las propiedades termométricas, de los principios para la medición de temperaturas y la estructura del termómetro. Se priorizará el trabajo para favorecer la revelación de valores epistémicos que replanteen la concepción lineal de la relación causa-efecto, valores morales y cívicos.

Métodos de enseñanza: Predominará el uso de los métodos de elaboración conjunta, el explicativo – ilustrativo y el de la complejidad.

Situación de aprendizaje: Mediante una entrevista con el instrumentista de turno, se crearán las condiciones para que el estudiante comprenda la estructura y el funcionamiento del termómetro. Podrá, mediante la conversación heurística, llegar a concebir ideas de formas alternativas para medir la temperatura.

Procedimiento:

1. El instrumentista tendrá sobre la mesa de trabajo varios termómetros desarmados. Se mostrarán diferentes principios de funcionamiento.

2. Se planificará la actividad de observación que puede tener la siguiente guía:

• Observar los detalles de cada una de las piezas de los termómetros y constatar su funcionalidad procesal.

• Notar el orden en que son dispuestas las piezas para el proceso de armado del termómetro.

• Observar la escala de medición y la forma en que la propiedad termométrica se mide.

3. Entrevista al instrumentista

• ¿Qué propiedad termométrica se utiliza para medir la temperatura en cada uno de los termómetros presentes?

• ¿Cómo puede garantizarse la exactitud de la variación de la propiedad termométrica?

• ¿Qué medidas hay que tomar para una correcta instalación y uso del termómetro?

• ¿Cómo es posible alargar el tiempo de vida del termómetro?

• ¿Qué propiedades químicas debe tener el material del sensor para que mida una propiedad física como la temperatura?

• ¿Qué hacer cuando se duda del funcionamiento correcto del termómetro?

Estudio Individual. Los estudiantes elaborarán por escrito un texto en el que traten de desarrollar habilidades ensayísticas. Se referirán al proceso general de medición de la temperatura, a sus posibilidades reales y a sus límites.

Medios de enseñanza: Utilizar termómetros en uso. Herramientas del instrumentista. Pizarra.

Evaluación:

Evaluación de la actividad. Tener en cuenta la sistematicidad, la participación activa de los estudiantes, la efectividad de las conversaciones heurísticas.

Evaluación de los estudiates. Se tendrá en cuenta su creatividad, su pensamiento relacional y sistémico. También evaluar la independencia a la hora de exponer los fenómenos.

Tarea docente 4

Estudio de los mecanismos de transporte de energía, sustancia y cantidad de movimiento en sistemas gaseosos reales.

Objetivo: Describir los mecanismos de transporte de energía, sustancia y cantidad de movimiento en sistemas termodinámicos en desequilibrio. Se trabajará para favorecer la emergencia de valores epistémicos de carácter no clásico, de valores morales y cívicos. Los valores estéticos se trabajarán a partir del intento de la revelación de experiencias de lo sublime en las manifestaciones caóticas del vapor a alta presión.

Situación de aprendizaje: Mediante la observación de las manifestaciones fenoménicas del transporte de vapor por tuberías de acero y de la utilización práctica de la cantidad de movimiento para producir energía eléctrica, los estudiantes se motivarán y podrán aprehender criterios físicos sólidos que tienen que ver con sistemas termodinámicos en desequilibrio.

Procedimiento:

1. El recorrido comenzará por el área de generación de vapor. El tecnólogo del área explicará el funcionamiento del horno, de la caldera y del mecanismo general de producción de vapor.

2. Mostrar como el vapor saturado se sobrecalienta y a partir de aquí se traslada a los turbogeneradores. Establecer una conversación heurística en la que el estudiante pueda constatar la variación de las propiedades del agua hasta convertirse en vapor recalentado. Enfocar el cambio de fase.

3. Frente a los turbogeneradores, el profesor explicará cómo la cantidad de movimiento que porta el vapor se transforma en trabajo y luego en energía eléctrica. La conversación heurística podría ser la siguiente:

• ¿Qué variables son tenidas en cuenta en el cálculo de la cantidad de movimiento y del trabajo?

• ¿Qué factores reales, que pueden ustedes observar, no son tenidos en cuenta por estas ecuaciones?

• ¿Coincidirán con gran exactitud los cálculos matemáticos y el comportamiento real del sistema?

• ¿Estamos en presencia del equilibrio termodinámico? ¿Por qué?

• ¿Será este un sistema complejo? ¿Por qué?

• ¿Qué diferencias usted cree que existen entre lo complejo y lo complicado?

4. Observar el diagrama que representa la generación de electricidad (potencia en MW) contra el flujo másico de vapor. Comparar el diagrama con la experiencia del tecnólogo para constatar posibles desviaciones vinculadas al comportamiento no lineal del sistema.

5. Observar la tubería amiantada de 520 mm que transporta el vapor de escape hasta el preevaporador. Podrá establecerse la siguiente conversación heurística:

• ¿Por qué se recubre la tubería?

• ¿Qué material se utiliza para recubrir el acero? ¿Por qué?

• ¿Existen criterios técnicos para la cantidad de amianto utilizada? Aquí se llegará paulatinamente a la idea de que el aumento del diámetro de la tubería puede lograr un efecto contraproducente después de superarse un valor crítico.

• ¿Por qué es importante que el vapor de agua llegue a una temperatura alta a los turbogeneradores?

• ¿Por qué se utiliza el papel pulido sobre el amianto?

• ¿Tendrá algún efecto la convección en la transmisión del calor en la tubería? Aquí el profesor referirá la presencia de turbulencias que provocan un comportamiento no lineal y caótico en el proceso de transferencia de energía.

5. Trasladar a los estudiantes para el preevaporador. Aquí se observará de forma activa, la transferencia de calor por convección. Podrá también establecerse una conversación heurística.

6. Relacionar la transferencia de calor con procesos medioambientales. Resaltar la toxicidad del amianto. Hablar de sus propiedades químicas y de la variación de las propiedades químicas de la sacarosa al ponerse en contacto con el calor.

Estudio independiente: Los estudiantes elaborarán un ensayo en el que describan la experiencia vivida con el comportamiento del vapor a altas presiones, la transferencia de calor y la producción de trabajo a partir de la cantidad de movimiento del vapor.

Medios de enseñanza: Tuberías aisladas, turbogenerador, preevaporador, pizarra.

Evaluación:

Evaluación de la actividad. Se tendrá en cuenta su sistematicidad, la motivación despertada en los estudiantes y la efectividad de los diálogos heurísticos.

Evaluación de los estudiantes. Evaluar el estudio independiente y las demás actividades teniendo en cuenta su creatividad, solidez de las respuestas, nivel de independencia y el desarrollo de la habilidad presentes en el objetivo formativo.

Tarea docente 5

Título: Estudio teórico práctico de las dos primeras leyes de la termodinámica.

Objetivo: Explicar, desde la experiencia, la esencia de las leyes de la termodinámica, se estudiará los enunciados y contextos de aplicación, los ejemplos de procesos termodinámicos y su irreversibilidad. También se trabajará por reforzar la idea del carácter estocástico de los procesos termodinámicos, el problema de la degradación de la energía y el carácter disipativo de los procesos observados. Los valores epistémicos no clásicos, los morales, cívicos y estéticos serán priorizados.

Métodos de enseñanza: Utilizar la observación, el método explicativo ilustrativo, el de trabajo independiente y el de la complejidad.

Situación de aprendizaje: A partir del estudio práctico de la utilización del calor para la concentración del jugo de caña , los estudiantes entrarán en contacto con la complejidad de los procesos termodinámicos. Enfatizar la transferencia de calor como proceso disipativo.

Procedimiento:

1. El estudiante, junto con el profesor y el tecnólogo, ubicará y explicará algunos procesos termodinámicos en el área de generación de vapor y en la planta eléctrica. Hacer notar mediante el diálogo heurístico lo siguiente:

• Carácter abierto del sistema termodinámico.

• Irreversibilidad de todos los procesos. Referirse al hecho de que la segunda ley se cumple para sistemas cerrados.

• Constatar el carácter estacionario de los procesos termodinámicos en evaporadores a simple y múltiple efecto. (esto no implica trasladarse continuamente del lugar).

2. Ubicar a los estudiantes frente al turbogenerador de forma tal que puedan observar la unidad lateralmente. El profesor y el tecnólogo mostrarán un gráfico con la estructura interna del turbo.

3. En pleno funcionamiento, se mostrará la lectura de la presión de entrada y la de salida. Hacer notar mediante preguntas como no existe una correspondencia lineal. Puede ubicarse las lecturas en una gráfica cartesiana bidimensional. Leer también la potencia de generación y constatar también la no linealidad.

4. Realizar la siguiente conversación heurística:

• ¿A qué se debe el comportamiento no lineal observado?

• ¿En qué se convierte la energía del vapor? Hacer énfasis en la Primera Ley de la Termodinámica.

• ¿Podrá toda la energía convertirse en trabajo?

• En este sistema ¿qué ocurre con la energía disipada?

• ¿Crees que en el turbogenerador la entropía crece infinitamente? ¿Por qué?

5. Estudio Independiente: Elaborar un ensayo donde se explique la experiencia vivida. Enfocar sus ideas en la leyes de la termodinámica.

Medios de enseñanza: Turbogenerador, póster, pizarra para el diálogo heurístico.

Evaluación. Tanto la actividad como los estudiantes, serán evaluados con los mismos criterios de la tarea 4.

CONCLUSIONES

El trabajo expuesto en este artículo ha desarrollado criterios teóricos que sustentan una propuesta general para la enseñanza de la física. Estos criterios se sustentan en una visión no clásica de la racionalidad científica y de la física específicamente.

Se propuso un ejemplo de sistema de tareas docentes para la unidad de termodinámica de la asignatura física 1 de la carrera de Ingeniería Agrónoma. Este sistema pretende favorecer una comprensión compleja de la realidad física objeto de estudio.

De la explicación teórico práctica se desprende la necesidad de una reflexión intensa y actualizada sobre la docencia de la física. Los contenidos actuales deben ser impartidos posibilitando una salida curricular alternativa que contenga la constatación de la complejidad de la realidad física.

El sistema de tareas docentes propuesto puede servir como punto de partida para la crítica y para la elaboración de otros sistemas en contextos y contenidos diferentes.

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