¿Por qué se funde un foco? (PDF Available)

Journal of Materials Education
Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas
vsm@.uaemex.mx
ISSN (Versión impresa): 0738-7989
MÉXICO
2000
Michael J. McKelvy / P. Mitan / Kirsten Hintze / Eric Patrick / K. Allagadda / B.L.
Ramakrishna / Carrie Denny / Brandt Prior / A.V.G. Chizmeshya / V. Pizziconi
¿POR QUÉ SE FUNDE UN FOCO?
Journal of Materials Education, primavera, año/vol. 22, número 1-3
Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas
Toluca, México
pp. 7-13
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (1-3): 7-13
¿POR QUÉ SE FUNDE UN FOCO?
Michael J. McKelvy,1 P. Mitan,1 Kirsten Hintze,1 Eric Patrick,1 K. Allagadda,1 B.L. Ramakrishna,1
Carrie Denny,1 Brandt Prior,2 A.V.G. Chizmeshya,1 y V. Pizziconi3
1
Center for Solid State Science, 2Technology Based Learning and Research, and 3Department of
Chemical, Bio & Materials Engineering, Arizona State University, Tempe, Arizona 85287-1704,
USA.
RESUMEN
El modulo educativo en línea “¿Por qué se funde un foco?” es una introducción basada en una
pregunta para los conceptos de los materiales y sus propiedades a través de una exploración
interactiva sobre la durabilidad de un foco incandescente que los alumnos utilizan diariamente. El
módulo ofrece una exploración de la historia del foco, sus componentes y sus importantes
propiedades del filamento. Los estudiantes descubren la relación entre la temperatura y la
incandescencia, junto con la fuerza eléctrica y la resistencia a través del programa interactivo Java.
Así los estudiantes “inventan” sus propios filamentos a través de pruebas virtuales de temperatura,
longevidad y función de una variedad de materiales. A continuación, los estudiantes siguen el
proceso de desgaste del filamento, utilizando imágenes microscópicas de la exploración de
electrones con fuerza atómica. El módulo culmina al diseñar los estudiantes sus propios
experimentos materiales, utilizando SPM Live! en línea http://invsee.asu.edu. Las evaluaciones de los
estudiantes indican que ellos disfrutan y aprenden efectivamente utilizando el módulo.
Palabras clave: foco, invento, falla del análisis, en línea, módulo educativo, microscopia a control remoto,
sondeo microscópico, escaneo microscópico de electrones.
INTRODUCCIÓN
“El aprendizaje basado en el proyecto está...
enfocado a la enseñaza involucrando a los
alumnos en la investigación”1 Este enfoque
educativo ofrece un exitoso paradigma para los
estudiantes adultos y los K12.1-4 Un currículo
de ciencias basado en un proyecto incorpora
este paradigma en donde los estudiantes
encuentran soluciones a preguntas reales. Los
estándares sobre la educación de la ciencia
nacional subrayan que esta estrategia es un
concepto clave para la enseñanza del currículo
de ciencias: “la búsqueda de preguntas
auténticas generadas de las experiencias de los
estudiantes es una estrategia central para la
ciencia de la enseñanza”,3 dicha estrategia es
especialmente valiosa para el estudiante adulto
(colegio/universidad). La teoría del aprendizaje
del adulto (andragogía) enfatiza el beneficio
institucional de incorporación (i) de temas de
valor inmediato, (ii) oportunidades de
experiencias, (iii) oportunidades para resolver
problemas, y (iv) aplicaciones en el mundo
real.4 El aprendizaje de los adultos es mejor
cuando todas las características institucionales
están presentes. La aplicación de estos
principios al currículo de la ciencia de los
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McKelvy, Mitan, Hintze, Patrick, Allagadda, Ramakrishna, Denny, Pryor, Chizmeshya y Pizziconi
materiales y la ingeniería en un ambiente en
línea es un reto, ya que los estudiantes necesitan
tener acceso a un laboratorio virtual o real para
poder llevar a cabo los experimentos
científicos. Sin embargo, la incorporación de
principios andragógicos ofrece el potencial para
mejorar significativamente la educación sobre
la ciencia de los materiales y la ingeniería en
línea.5,6 Nos esforzamos para incorporar esta
estrategia y las metas del aprendizaje en línea
basados en un proyecto dentro del módulo
educativo interactivo, “¿por qué se funde un
foco?”.7
La gente en el planeta utiliza focos de luz
eléctrica, la luz incandescente es una parte
esencial de la sociedad moderna. En este
módulo, los estudiantes exploran los conceptos
científicos fundamentales detrás de la
operación, el desgaste y la eventual falla de los
focos de luz incandescente y prueban su
conocimiento. Ellos exploran, modelan y
predicen el comportamiento del filamento desde
el nivel macroscópico hasta el atómico. Además
de introducir la incandescencia, la estructura de
partículas de materia y las relaciones de la
propiedad estructural, el módulo introduce un
moderno análisis de error y el proceso de
creación desde una perspectiva histórica. La
evaluación del módulo incluye exámenes
preliminares
y
posteriores
sobre
el
entendimiento del estudiante, la clasificación de
la efectividad del módulo y las discusiones
grabadas del enfoque grupal de las reacciones
de los estudiantes después de haber utilizado el
módulo.
EXPERIMENTAL
Desarrollo/acceso al módulo: los filamentos
del foco de luz de tungsteno fueron observados
en los diferentes pasos del desgaste (desde
nuevo hasta fundido) debido a la sublimación
de tungsteno y a las lentas fugas de aire. Esta
sublimación, la cual ocurre más lentamente
durante la operación del filamento, resulta en
un lento grabado del mismo. Cuando el
tungsteno deja la superficie por la sublimación,
el gas inerte (ej. Ar/N2) en el bulbo causa el
vapor que cauteriza como un cigarro, el cual se
coloca en el interior del foco dándole esa
tonalidad grisacea en el trascurso del tiempo.
Lentamente las fugas de aire resultantes en la
formación del óxido tungsteno, se volatilizan de
la superficie del filamento, formando partículas
de humo en la atmósfera del foco.
Una película macroscópica QuickTime fue
tomada del lento proceso de la falla en la fuga
de aire al operar un filamento expuesto en una
caja de guantes de argón que contenía muestras
de aire. Las muestras idóneas para un análisis
microscópico (PMS) se llevaron a cabo a partir
de los filamentos de aluminio tungsteno muy
delgados para proveer superficies de muestra
relativamente planas para la observación PMS.
Los experimentos aislados utilizan dos
exploradores
termo-microscópicos:
PMS
capaces de operar en AFM, STM, y en modos de
contacto y no contacto. El PMS real está
disponible por medio de una cita a través del
proyecto en red de la Nano-visualización
interactiva para la educación de la ciencia y la
ingeniería (IN-VSEE) en http://invsee.asu.edu.
Las imágenes microscópicas de electrones de
los filamentos en las diferentes etapas de
desgaste fueron primordialmente tomadas como
imágenes de electrones secundarios utilizando
un JEOL JSM 840 SEM, el cual está operado y
controlado por medio de una computadora bajo
un sistema de Windows EMiSPEC.
El módulo es una plataforma independiente
(por ejemplo, PC, Mac, UNIX). Los
componentes interactivos (por ejemplo:
programas,
películas
QuickTime)
son
accesibles al utilizar Netscape (versión 4.5 o
posterior). Los contactos necesarios para el uso
interactivo en línea son Hummingbird X Web
Remote
Activation,
RealPlayer
G2
(LiveConnect-Enabled; 32 bits, versión 6.0)
Adobe Acrobat, Netscape Default, Java 1.2.2,
CosmoPlayer 2.1.1, Conector QuickTime 4.1 y
un Flash Shockwave.
Contenido del módulo: “¿por qué se funde un
foco?”está diseñado para los estudiantes con
antecedentes en álgebra e introducción a la
química. El módulo contiene cinco secciones:
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¿Por qué se Funde un Foco?
Historia, Componentes, Filamentos, Desgaste y
Aislamiento y están accesibles en el sitio web
del proyecto IN-VSEE.7 La sección de la
Historia explora la invención y desarrollo del
foco moderno desde la perspectiva de los
materiales. Se enfatiza el continuo desarrollo de
mejores materiales de filamento para mejorar la
emisión de luz y la durabilidad del foco. La
sección de los Componentes muestra a los
estudiantes los componentes modernos del foco
proveyéndoles bases para una futura
investigación. La sección del Filamento
presenta los conceptos de incandescencia en las
diferentes escalas de temperatura utilizadas para
describirlo. El termómetro interactivo y el
programa del medidor de temperatura permite a
los estudiantes explorar y comparar las escalas
Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Enseguida, el
espectrómetro incandescente interactivo es
utilizado para explorar la emisión de luz, color
e intensidad, así como la función de
temperatura
para
controlar
la
fuente
incandescente de ésta. Los estudiantes exploran
entonces y aplican los conceptos de
derretimiento y sublimación como causas
potenciales de la falla del filamento. A
continuación utilizan el probador del filamento
9
para investigar una variedad de materiales de
filamento elementales para así descubrir las
relaciones
material-medio,
propiedades
necesarias para la mejora del filamento y el
funcionamiento del foco.
Los estudiantes exploran el proceso de desgaste
en la sección de Fundido. Ellos observan y
controlan una película acelerada de QuickTime
sobre la duración del filamento, desde su
encendido, hasta la formación de un punto
incandescente y finalmente la “fundición”.
Después de descubrir el punto incandescente
brilloso precede la separación al punto de
incandescencia, a los estudiantes se les presenta
interactivamente la relación entre el grosor y la
resistencia del filamento y el efecto que éstos
tienen sobre la temperatura y la luminosidad del
filamento localmente. Por medio del programa
de los Tres Componentes del Grosor del
Filamento, exploran la relación entre el grosor
de las tres diferentes áreas dentro del mismo
filamento así como su temperatura/brillo.
Después de dominar los conceptos asociados
con la formación del punto de incandescencia
anterior a la falla del filamento, los estudiantes
Figura 1. (a&b) Imágenes SEM de un filamento nuevo; nótese las marcas de moldeamiento en la superficie; (c)
la región delgada del filamento cercana al punto de falla después de “fundirse”; (d) un acercamiento de la
superficie fracturada en donde el filamento falló; (e) un filamento usado que muestra una sublimación
preferencial en las orillas engranadas y una fractura parcial; (f) un filamento separado usado que muestra los
cristales tungstenos formados por medio del crecimiento del grano y la sublimación.
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McKelvy, Mitan, Hintze, Patrick, Allagadda, Ramakrishna, Denny, Pryor, Chizmeshya y Pizziconi
utilizan imágenes SEM para explorar el proceso
de falla durante una alta magnificación. Las
imágenes de los nuevos filamentos son
comparadas con aquellas observadas en las
diferentes etapas del proceso de desgaste, con
un énfasis en los filamentos que se han fundido.
La figura 1 muestra un subconjunto de
imágenes que los estudiantes utilizan para
estudiar la falla del filamento debido a un lento
escape de aire.
Las figuras 1a y b muestran la uniformidad
axial característica y las marcas asociadas con
los nuevos filamentos. Las figuras 1c y d
muestran el adelgazamiento de la región en la
cual el filamento falló y un acercamiento de la
fractura de su superficie, respectivamente.
Utilizando estas imágenes los estudiantes
incorporan un razonamiento deductivo para
determinar cómo ocurrió la falla. A medida que
el filamento fue atacado por el oxígeno,
comienza a disminuir su grosor en una región,
aumentando su resistencia eléctrica y
temperatura localmente, lo cual aumenta la
reactividad local, llevándolo a una falla al punto
de romperse, la falla final ocurre por medio de
una fractura, como puede ser visto en la frágil
superficie de la fractura en la figura 1d.
Después, se presenta a los estudiantes las
relaciones entre la estructura y la propiedad al
comparar la fuerza y reacción de resistencia de
un cristal vs. regiones de granos en los
filamentos. La figura 1e muestra que los
grabados preferenciales ocurren en las regiones
más reactivas antes de la falla. También resalta
la fuerza estructural más débil de los bordes del
filamento, de los cuales los estudiantes pueden
deducir que las orillas de éstas son más
susceptibles a fallar por medio de una frágil
fractura. La figura 1f muestra una serie de
bellas superficies de cristal tungsteno creadas
por la sublimación y el crecimiento de los
granos en un filamento separado. A medida que
el módulo se expande, dichas imágenes se
integran con los módulos a nivel atómico para
interactivamente introducir el concepto de la
estructura del cristal por medio de una
estructura simple de tungsteno bcc. La sección
de aislamiento le permite a los estudiantes
proponer y llevar a cabo sus propios
experimentos (por ejemplo el estudio del
comportamiento de los granos en el filamento
vs. temperatura, tiempo, etc.), utilizando el
PMS aislado por medio de un PMS real.
DISCUSIÓN
A pesar de que el módulo se diseñó
primordialmente para el uso lineal, el progreso
desde la sección de Historia a través de las
secciones de Componentes, Filamentos,
Desgaste y Aislamiento, puede desarrollarse
por sí misma, dependiendo de los antecedentes
del estudiante.
Cuando se usa linealmente, cada componente
crece del anterior, permitiendo al estudiante
descubrir porqué los focos se funden y las
relaciones clave de material-propiedades para la
función del filamento. El uso lineal mejora la
posición del estudiante al razonamiento
deductivo, al proceso científico y al proceso de
creación.
Los cuestionarios en línea se colocan en pares
con cada componente del módulo interactivo
(por ejemplo, los programas o las películas
QuickTime) con los cuestionarios diseñados
para impulsar a los estudiantes en el uso
interactivo de los componentes como
experimentos en línea. La meta es estimular la
aplicación del estudiante a la resolución de
problemas basados en preguntas. El módulo
culmina en un experimento estudiantil PMS
aislado por medio de un PMS real, que
inherentemente
implica
el
diseño
e
implementación de un experimento por el
estudiante. Esto incluye una presentación por
parte de los estudiantes de la propuesta del
proceso científico, como una propuesta exitosa
requerida para el uso de un PMS real.
Evaluación: como se reporta en la tabla I, los
participantes del estudio fueron estudiantes
universitarios dentro del área de las ciencias
naturales e ingeniería, con una edad promedio
de 25 años. Más de las tres cuartas partes
fueron hombres que tenían la habilidad de
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¿Por qué se Funde un Foco?
utilizar la computadora. Los estudiantes
terminaron el módulo en aproximadamente 50
minutos por segmento individual con un
descanso de 15 minutos. Los datos se
recolectaron por medio de exámenes previos y
posteriores al conocimiento, un cuestionario
para medir las actitudes y percepciones de los
estudiantes y una grabación de video enfocada a
las discusiones grupales. Los temas del
cuestionario fueron principalmente de siete
puntos, con escalas bipolares evaluativas y de
probabilidad.
Los
puntajes
fueron
transformados por medio de la resta de cuatro
en cada valor, para poder representar la
bipolaridad de las escalas. Las calificaciones
reportaron un rango inferior de +3 (muy bien,
alto o probable) a –3 (extremadamente mal,
bajo o improbable) a través de un punto medio
neutral de cero.
Las respuestas de los estudiantes al módulo
fueron altamente favorables (tabla II). Las
calificaciones principales en todas las variables
con excepción de dos fueron de 2.0 (bien o
probable) o mayor, éstas fueron (1) la dificultad
del lenguaje en el módulo y (2) la dificultad de
la materia en el módulo.
Tabla I
Calificaciones de los participantes sobre las
variables de los antecedentes
Sexo
Masculino
Femenino
Especialidad
Ingeniería Química
Química
Biología
Edad Principal
Facilidad en el uso de las
computadoras
Tiempo de uso del
módulo (principal)
77.8 %
22.2%
77.8%
11.1%
11.1%
24.8
2.4
102.1
(tiempo
medido desde 85 a
120 min)
Estas variables fueron medidas en escalas desde
11
+3
(extremadamente
difícil)
a
–3
(extremadamente fácil), a través de un punto
medio (lo justo). Las respuestas indican que la
dificultad de la materia fue precisa para estos
estudiantes y que el lenguaje utilizado en el
módulo fue fácilmente entendido.
Dos de las variables más importantes desde la
perspectiva de este proyecto son los grados, de
los cuales (1) los estudiantes aprenden del
módulo, y (2) el módulo es más efectivo que la
lectura de un libro. Las calificaciones en estas
variables son las dos más altas que se han
reportado en la tabla II. La figura 2 claramente
muestra las sustanciales diferencias en la
percepción de los estudiantes de su
conocimiento sobre el contenido del módulo del
foco, antes y después de la utilización del
módulo. Los estudiantes creen que podrán
explicar lo suficiente (2) o extremadamente (3)
el porqué un foco se funde antes de utilizar el
módulo (ver tabla II). La mayoría de los
estudiantes disfrutaron el uso del módulo
(calificación promedio 2.3, alta 3, baja1; tabla
II).
La adquisición del conocimiento del estudiante
fue muy buena como se indica en la tabla II y se
mantuvo por medio de las preguntas del ensayo
del examen previo y del posterior.
El módulo es aceptado positivamente por los
estudiantes. Un pequeño ejemplo de los
comentarios de ellos se muestra a continuación.
Lo que más les gustó:
“Los programas interactivos proveen una
experiencia de aprendizaje atractiva. Muy
creativo.”
“Aprender sobre los focos y por que fallan.”
“También me gustó la utilización de las
herramientas, lo cual permite ver los efectos de
los diferentes parámetros.”
“La película del bulbo (filamento) al fundirse.”
“Las fotografías y películas microscópicas.”
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Tabla II
Respuestas principales de la forma evaluativa de los participantes
Variables
Actitud hacia el uso del módulo del foco
La excitación del uso del módulo del bulbo comparado con una clase típica
El uso del módulo me ayudó a aprender con más eficacia que la clase típica
El uso del módulo me ayudó a aprender con más eficacia que la lectura de un libro
Obtención del conocimiento
Habilidad para explicar porqué los focos se fundieron (examen posterior)
La dificultad del lenguaje en el módulo del foco
La dificultad de la materia en el módulo
ódulo del foco
Facilitar la navegación a través del módulo del foco
Las gráficas del módulo mostraron la materia
Quiero más clases que incluyan módulos como éste
Disfruté el uso del módulo
“Las demostraciones de los programas
enfatizaron más el material y fueron útiles
durante el examen”.
“Un trabajo excelente. Investigaré este módulo
aunque no sea parte de la clase. Fue divertido”.
2.7
2.6
2.3
-1.3
-0.7
2.5
2.4
2.4
2.3
“La figura de la sublimación. Se necesita una
película sobre eso” (la película se hace y se
adhiere con el nuevo componente del módulo
estructural de los nuevos cristales de tungsteno
bcc).
“La letra pequeña” (el programa de
computadora utilizado para reducir el tamaño
de la letra del módulo, ha sido corregido).
“La película sobre el desgaste del filamento se
tardó mucho en cargar” (el tiempo ha sido
reducido).
Porcentaje de respuestas
También proveyeron una crítica útil:
“Algunos estudiantes pudieran encontrar la
unión entre el programa y el cuestionario
confuso y difícil” (vamos ahora a cambiar a
marcos que permitan a los programas y
cuestionarios ser mostrados simultáneamente).
Principal
2.5
2.1
2.0
Nada
Todo
Nada
Todo
Figura 2. La distribución del contenido del conocimiento del estudiante del módulo del foco (a) antes y (b)
después del uso del módulo
CONCLUSIONES
El módulo provee una efectiva introducción en
línea a los materiales y su relación con las
propiedades al permitir a los alumnos explorar
interactivamente la pregunta ubicua “¿por qué
se funde un foco? Los estudiantes sienten que
este módulo basado en un proyecto es una
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¿Por qué se Funde un Foco?
herramienta de aprendizaje más efectiva
comparada con una típica clase o libro. Ya que
está disponible en línea, el módulo tiene la
ventaja de ser actualizado continuamente por
medio de las nuevas observaciones de
investigación y los materiales educativos
(comparados con los libros). También provee
una instrucción efectiva y a bajo costo en
comparación con la típica clase.
RECONOCIMIENTOS
Este proyecto está patrocinado con la donación
de la Fundación Nacional de Ciencias REC
9632740. Agradecemos al Centro para la
Ciencia del Estado Sólido el uso de sus
instalaciones para la visualización de los
Materiales Goldwater en el desarrollo y
evaluación de este módulo.
REFERENCIAS
1. P. Blumenfield, E. Soloway, R. Marx, J.
Krajcik, M. Guzdial, and A. Palinscsar.
“Motivating
project-based
learning:
Sustaining the doing, supporting the
learning”. Educational Psychologist, 26, 3
(1991).
2. National Science Education Standards
(National Academy Press, Wash., D.C.,
1996).
3. National science education Standards
(National Academy Press, Wash., D.C. 1996)
p. 31.
4. M. Knowles, The Adult Learner: A
Neglected
Species
(Gulf
Publishing,
Houston, 1984).
5. http://www.useit.com
Jakob
Nielson’s
Useable Information Technology.
6. http://www.w3.org World Wide Web
Consortium Guidelines for Accessible Web
Authoring.
7. “Why Does a Light Bulb Burn Out?” is
accessible at http://invsee.asu.edu.
Al momento que este ensayo fue escrito, la
referencia dentro del URLs/hotlinks fue
estimada para ser usada como material
suplementario en este ensayo.
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