utilización didáctica en la enseñanza de la física y química de

UTILIZACIÓN DIDÁCTICA EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y QUÍMICA
DE BACHILLERATO DE LA BIOGRAFÍA Y PRODUCCIÓN CIENTÍFICA DE
INVESTIGADORES EMINENTES
Francisco Martínez Navarro, fmarnav@gobiernodecanarias.org
Instituto de Educación Secundaria Alonso Quesada.
Avenida de Escaleritas, 113, 35012. Las Palmas de Gran Canaria.
Emigdia Repetto Jiménez
Facultad de Formación del Profesorado de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Departamento de Didácticas Especiales. C/ Santa Juana de Arco, 1, 35004. Las Palmas de GC
INTRODUCCIÓN
El currículo básico u oficial, prescrito por las Comunidades Autónomas para su
ámbito de gestión, Decreto 101/1995, de 26 de abril, (BOC de 25 de mayo), de acuerdo
con el Decreto de Enseñanzas Mínimas para todo el Estado, (BOE de 21 de octubre de
1992), así como los Nuevos Decretos que los sustituyen: el del 2002 para Canarias y el
Real Decreto del MEC del 2001 no son una programación, no esta preparado para ser
utilizado directamente en los centros y aulas, constituye el primer nivel de concreción, un
referente obligatorio, entre otros, de un proceso que debe ser concretado en los centros
por el profesorado de la etapa y por el profesorado de materia en las Programaciones de
aula, para que pueda así ser adaptado a las características propias de cada contexto
educativo y de su alumnado. Este proceso puede realizarse con diferentes enfoques u
orientaciones que nos permiten de forma justificada organizar los contenidos de formas
diferentes.
Las investigaciones llevadas a cabo sobre la utilidad didáctica de la historia de la
ciencia ponen de relieve que la utilización de distintos aspectos relacionados con la forma
en que se elabora la ciencia, sus avances a lo largo del tiempo, los cambios de paradigma,
la filosofía que subyace en las distintas etapas de construcción del conocimiento, los
obstáculos epistemológicos que se han tenido que superar, los descubrimientos
accidentales y su interpretación,... etc.; contribuyen de forma relevante, no solo a lograr
una adecuada comprensión de la propia naturaleza de la ciencia, sino también a mejorar
y/o clarificar las concepciones, muchas veces distorsionadas que, tanto profesores como
alumnos, tienen de la misma.
Desde esta perspectiva, consideramos que la historia de la ciencia, integrada en los
currículos de ciencias, favorece el desarrollo de una visión dinámica de la misma, en la
que se pueden vincular de forma coherente tanto los procesos de investigación como la
propia justificación y evolución del conocimiento científico.
Es necesario, por tanto, incorporar las estrategias adecuadas para integrar la
utilización didáctica de la historia de la ciencia tanto en las propuestas de aula con el
alumnado como en la formación inicial y permanente del profesorado de ciencias
(Gagliardi, 1988; Gil, 1993; Izquierdo, 1995; Marco, González y SIMO, 1986; Martínez,
F, 1996; Martínez y Repetto, 1997; Martínez, Mato y Repetto, 1997).
OBJETIVOS
La finalidad fundamental de este trabajo es presentar una propuesta didáctica que
permita integrar la historia de la ciencia, en la enseñanza de la misma tanto en la
Educación Secundaria Obligatoria como en el Bachillerato. En especial la Física y la
Química. Esto se concreta en los siguientes objetivos:
1. Comprender y valorar la importancia de las aplicaciones de la historia de la ciencia
para su enseñanza y aprendizaje.
2. Analizar las posibilidades que tiene la historia de la ciencia para utilizarla en el
desarrollo de los currículos de ciencias de los diferentes niveles educativos.
3. Proporcionar la información y la formación necesaria para la utilización de la historia
de la ciencia en la enseñanza.
4. Orientar sobre el análisis, elaboración y utilización de nuevos materiales y estrategias
de enseñanza y aprendizaje que utilicen la historia de la ciencia.
5. Favorecer la formación permanente del profesorado en aspectos didácticos mediante el
intercambio de resultados de experiencias educativas y de la investigación didáctica.
El actual modelo curricular permite que el desarrollo de los currículos de
Ciencias pueda realizarse con un enfoque que tenga en cuenta la perspectiva histórica.
En la Física y química de 1º de Bachillerato, el estudio de la Física se centra en
la Física clásica. Se presenta así un cuerpo coherente de conocimientos en torno a la
mecánica newtoniana, y se desarrollan contenidos básicos sobre la corriente continua.
En Química, se profundiza en el estudio de la constitución de la materia sin llegar a un
tratamiento mecánico cuántico del átomo, lo que se deja para el siguiente curso; también
se estudian las reacciones químicas, tanto cualitativa como cuantitativamente, y se hace
una introducción a la química del carbono por su gran influencia en nuestro mundo
actual.
Ene
el
siguiente
mapa
conceptual se esquematizan los
contenidos
del
a
Física
y
Química de 1º, los de Física de
2º y los de química de 2º.
Tanto en los anteriores
currículos oficiales de la Física y
Química del Bachillerato del 95
como en los nuevos Decretos
canarios del 2002 se contempla
la importancia de la Historia de
la
Ciencia
contribución a la
como
una
comprensión
de qué es y cómo se construye el
conocimiento científico.
Los
conceptos
fundamentales que se adoptan
como ideas-eje son los cambios
materiales y energéticos. Para su desarrollo proponemos un enfoque disciplinar
estructurado, teniendo en cuenta la Historia de la Ciencia y las relaciones Ciencia,
Tecnología y Sociedad.
Se trata de realizar una organización de contenidos que tenga
en cuenta la naturaleza de la ciencia y del trabajo científico, las aplicaciones de la
ciencia y sus implicaciones sociales, que permita la construcción de un cuerpo
coherente de conocimientos. De acuerdo con dicha estructura, la secuenciación de
contenidos para la física y química de 1º seria:
LA CONSTRUCCIÓN DE LA FÍSICA CLÁSICA como ruptura con la física del
sentido común: Cinemática: Galileo describe el movimiento.
• Dinámica: Newton explica el movimiento.
• La Energía y sus formas de transferencia. Joule y la Conservación de la energía.
• Electricidad. Ohm y la Corriente eléctrica en el mundo actual.
• LA CRISIS DE LA FÍSICA CLÁSICA.
• Estructura de la materia. Rutherford y la estructura atómica.
• La cantidad de sustancia en química. Avogadro y el mol.
• Reacciones químicas. Lavoisier y las combinaciones químicas.
• Química del carbono. Wöhler y la introducción de la química orgánica
• LOS ORÍGENES DE LA QUÍMICA MODERNA.
Esta propuesta de organización de contenidos, nos permite presentar la física
clásica como revolución científica, como ruptura con la física del sentido común, con la
física aristotélico - escolástica, llevando a cabo un tratamiento más acorde con la
naturaleza y la historia de la ciencia. Se establece un mismo hilo conductor para toda la
materia, basado en las aplicaciones y en las repercusiones sociales de las ideas
científicas de forma transversal, a lo largo de todo el curso (enfoques CTS, con
perspectiva
histórica).
Posibilita
la
introducción
de
conceptos
de
forma
más
significativa, asociados a los problemas y contextos que en su origen, intento dar
respuesta. Facilita un mayor trabajo de los procedimientos (resolución de problemas,
trabajos prácticos, elaboración de informes, etc.) y pone el énfasis en las aplicaciones
de la física: industriales de interés biológico o medio ambiental, resaltando el interés en
dar respuestas a problemas asociados a las necesidades humanas. Nos permite así
aplicar los procesos de transformaciones y de transferencias de energía a la producción
de electricidad y al estudio de la conservación y degradación de la energía, aplicándolo
al estudio elemental de la corriente eléctrica, resaltando sus implicaciones sociales y
ambientales.
En esta propuesta se potencia a modo de síntesis: la construcción de cuerpos
coherentes de conocimientos, la familiarización con la metodología científica y las
actitudes positivas hacia la ciencia y su aprendizaje.
Los actuales decretos de los currículos oficiales permiten ser desarrollados en el ámbito de
centro y de aula desde una perspectiva histórica, con una orientación CTS, que es de un
gran poder formativo y que nos permite desarrollar más fácilmente algunas de las
capacidades presentes en los objetivos generales de etapa y de materia.
METODOLOGÍA
No estamos de acuerdo con las ideas, que sostienen que la historia de las ciencias
no aportan nada positivo en los bachilleratos de ciencias, como no sea para ilustrar algún
punto de interés o para motivar al alumnado en algún tema, si el tiempo lo permite, como
un suplemento separado de su contenido científico. La literatura científica y la
investigación más reciente en didáctica de las ciencias (Gil, 1993; Izquierdo, 1995; Solbes
y Traver, 1996), junto con nuestra experiencia docente, ponen de manifiesto el papel
fundamental que juega la historia de la ciencia en la enseñanza, su gran valor formativo, la
importancia didáctica de conocer los problemas “históricos” que originaron la construcción
de los conocimientos científicos, como llegaron a articularse en cuerpos coherentes de
conocimientos, cómo evolucionaron, cuáles fueron las principales dificultades. Se trata de
extraer de la historia de la ciencia los problemas más significativos y poner al
alumnado en situación de abordarlos.
La historia de la ciencia podría contribuir así a hacer ver al alumnado cómo se
construye la ciencia. Nos muestra como las teorías científicas cambian a lo largo de la
historia, sin que debamos decir que ninguna de ellas es falsa, sino que todas y cada una de
ellas son buenas respuestas a las preguntas posibles en cada momento histórico.
EJEMPLIFICACIÓN
En nuestra propuesta se presentan integrados los contenidos científicos con los
didácticos, resaltando las aplicaciones didácticas de la historia de la ciencia. Se empleará
una metodología constructiva, participativa e interactiva, que suponga una implicación
activa del alumnado propiciando las situaciones de enseñanza que favorezcan el
aprendizaje por investigación. Se desarrollan las actividades tanto individualmente como
en pequeños grupos (4-6 personas) facilitándose las puestas en común y los debates.
A título de ejemplo presentamos la utilización didáctica de las biografías de científicos,
como actividad de síntesis, para integrar en los contenidos de algunos temas de la física y
química de bachillerato. Presentamos como ejemplo el equilibrio químico, para ser
abordado en la química de 2º de bachillerato. Para trabajar los documentos biográficos de
cada tema se utilizan una guía de lectura, documentos de apoyo y una ficha elaborada
para tal fin (Martínez, Mato y Repetto, 1997)
DOCUMENTO BIOGRÁFICO: EL EQUILIBRIO QUÍMICO
Un estado de equilibrio solamente puede alcanzarse en un sistema cerrado y aislado. Los
cambios de este tipo son reversibles. Los estados de equilibrio suponen reacciones incompletas. Tanto
si inicialmente se parte de los "reactivos" como de los "productos", una vez se alcanza una situación de
equilibrio químico se encuentran presentes todas las sustancias químicas que participan en el mismo. No
se agota ninguna de las especies químicas puestas inicialmente a reaccionar.
Las concentraciones de equilibrio (o también las presiones parciales en el caso de gases) guardan una
relación matemática constante denominada constante de equilibrio, Kc, (o KP ), cuyo valor sólo queda
determinado por la temperatura a la cual se ha alcanzado el equilibrio químico.
La idea básica que debe ser asumida es el carácter dinámico del equilibrio químico.
Henry Le Chátelier (1850-1936), en 1880 estudió la influencia de factores tales
como la presión, la temperatura y la concentración en el equilibrio. En sus
investigaciones, se mantuvo en estrecho contacto con los problemas planteados
por la industria. En 1888 Le Chátelier enunció su principio de la siguiente forma.
Si un sistema en equilibrio se perturba o modifican sus condiciones (presión,
temperatura, concentraciones) el equilibrio se rompe y el sistema evoluciona en
la dirección que tiende a contrarrestar dicha modificación exterior, hasta alcanzar
una nueva posición de equilibrio. Le Chatelier formuló su principio de una forma
totalmente inductiva, sin ofrecer ningún tipo de prueba teórica. Las aplicaciones
industriales del principio de Le Chatelier le otorgaron una gran relevancia. Sin embargo, ya desde 1909
diferentes autores, entre ellos varios premios Nobel: Ehrenfest, Planck, Bijvoet, Prigogine criticaron el
carácter vago y ambiguo de las diferentes formulaciones
J. H. van't Hoff (1852-1911), en el
año 1877 abandonó la idea de fuerza
química y explicó el estado de
equilibrio químico en términos
estrictamente cinéticos publicó su
famosa relación de desplazamiento
del equilibrio en función de la
temperatura. Esta relación la obtuvo
a partir de la ecuación establecida
por primera vez por Kirchhoff en
1858, consecuencia inmediata del
primer
principio
de
la
termodinámica.
Según este autor (primer premio
Nobel de Química en 1901) en
cualquier proceso reversible, a una
determinada
temperatura,
el
equilibrio químico se alcanza cuando
las velocidades directa e inversa son
idénticas. Estas velocidades son
directamente proporcionales a las
concentraciones de las sustancias
que participan en cada una de ellas.
Arrhénius, de acuerdo
con la teoría de los
choques procedentes de la
cinética de los gases y del
reparto energético de
Boltzman, elaboro una
teoría, la velocidad de
reacción es proporcional
al número de colisiones
entre las moléculas que
reaccionan. Introdujo el
concepto de «choque
eficaz», de forma que sólo
los reactivos que hubieran
adquirido
una
cierta
energía «de activación»,
concepto introducido por
Ostwald, en 1890
C. M. Guldberg (1836-1902)
y P. Waage (1833-1900),
profesores de Matemáticas
aplicadas y de Química,
respectivamente,
en
la
Universidad de Cristianía
(actualmente Oslo), en el año
1862, particularizaron su ley
de acción de masas al
equilibrio de esterificación.
Encontraron una relación
constante
(actualmente
denominada Kc) entre las
concentraciones de equilibrio
de los 'productos' y de los
'reactivos'.
GUÍA DE LECTURA: Documento biográfico
Lee el documento biográfico “El equilibrio químico” y realiza un esquema que
recoja las ideas fundamentales del mismo.
Después de leer el documento biográfico elige uno de los científicos que aparecen
y busca la información necesaria y completa sus aspectos biográficos utilizando la ficha y
los documentos de apoyo entregados por el profesorado
TEXTO: HISTORIA DEL EQUILIBRIO QUÍMICO. LEY DE ACCIÓN DE MASAS
A mediados del siglo XIX el interés existente por las reacciones orgánicas llevó a A.W.
Williamson al estudio de la reacción de esterificación. Para este científico la reversibilidad de este
proceso podía explicarse mediante un estado de equilibrio entre los “reactivos” y los “productos”
que comportaba la producción simultánea de dos reacciones químicas en sentidos opuestos.
Por otro lado, desde el trabajo iniciado por R. Clausius en 1850 diferentes autores trataron
de explicar tanto fenómenos físicos como químicos en términos de movimiento molecular. El
propio Clausius publicó en el año 1857 un trabajo que explicaba la evaporación de los líquidos.
Según la teoría cinética que sustenta la explicación de este hecho físico, en los líquidos las
moléculas individuales pueden tener velocidades que se desvíen de la media (dada para una
determinada temperatura) dentro de unos límites amplios. Debido a la complejidad del movimiento
de las moléculas, que supone que unas choquen contra otras, puede existir una coincidencia
favorable que otorgue a una determinada molécula una energía cinética suficiente para abandonar a
sus moléculas vecinas. Según este mecanismo, un espacio, inicialmente vacío, situado en la parte
superior de la superficie del líquido se irá llenando de moléculas, que se comportarán como un gas,
chocando entre sí y contra las paredes del recipiente. Estos choques también se producen contra la
superficie del líquido por lo que algunas moléculas que forman la fase gaseosa son de nuevo
capturadas y pasan a integrar la fase líquida. Finalmente, se alcanza un sistema en equilibrio que
puede detectarse porque la presión de vapor del gas deja de aumentar.
Ello no implica que la evaporación deje de producirse sino que existe un estado que supone la
evaporación y la condensación en igual magnitud.
La ley de acción de masas formulada por Guldberg y Waage en 1864 identificaba la afinidad
química con una fuerza, de forma que la condición de equilibrio suponía un balance de dos fuerzas
opuestas y de igual magnitud. Sin embargo, J. H. Van't Hoff (1852-1911), en el año 1877 y
posteriormente en su libro Études de dynamique chimique (1884) abandonó la idea de fuerza
química y explicó el estado de equilibrio químico en términos estrictamente cinéticos. Según este
autor, en cualquier proceso reversible, a una determinada temperatura, el equilibrio químico se
alcanza cuando las velocidades directa e inversa son idénticas. Estas velocidades son directamente
proporcionales a las concentraciones de las sustancias que participan en cada una de ellas. De esta
forma, una expresión análoga a la obtenida por Guldberg y Waage explicaba la naturaleza del
equilibrio químico en términos de ecuaciones de velocidad.
En la actualidad, podemos reformular, de una forma simplificada, el tratamiento matemático
realizado por van't Hoff, tomando como ejemplo el proceso reversible que podemos representar por
la ecuación: a A(g) + b B(g) D c C(g) + d D(g)
En el equilibrio se cumple: Vdirecta = Vinversa, es decir, k1 [A]a · [B]b = k2 [C]c · [D]d
Al cociente k1 /k2 lo denominó constante de equilibrio, K, de tal forma que esta constante tiene la
siguiente expresión matemática: K =
[C ]c ·[D]d
[ A]a ·[B ]b
(Se debe resaltar que la obtención de la expresión de la constante de equilibrio a partir de las
correspondientes ecuaciones de velocidad sólo es válida para reacciones elementales. El
comportamiento cinético -ecuaciones de velocidad- de un proceso reversible se debe determinar
experimentalmente y, en general, no puede ser predicho a partir de la estequiometría de la
reacción). La idea básica que debe ser asumida es el carácter dinámico del equilibrio químico.
GUÍA DE LECTURA: Texto Historia del equilibrio químico
Actividad 1: Realiza un resumen de esta lectura analizando la evolución de los conceptos
tratados e intenta establecer como hipótesis de partida un modelo que explique el estado
de equilibrio químico.
Actividad 2: Explica las principales aportaciones de Williamson, Clausius, Guldberg y
Waage, Van't Hoff
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Ciencias Enseñanza de las Ciencias, 6(3), 291-296
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