Campo magnético : diseño y evaluación de estrategias de enseñanza basadas en el aprendizaje como investigación orientada

303 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3), 303–320 CAMPO MAGNÉTICO: DISEÑO Y EVALUACIÓN DE ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA BASADAS EN EL APRENDIZAJE COMO INVESTIGACIÓN ORIENTADA Guisasola, Jenaro; Almudí, José Manuel; Zubimendi, José Luís y Zuza, K. Departamento de Física Aplicada I. Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU) INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Resumen. Este trabajo se inspira en una secuencia de enseñanza constructivista; más concretamente en el modelo conocido por «enseñanzaaprendizaje como investigación orientada». De acuerdo con esta base teórica, hemos desarrollado una investigación empírica que se enmarca dentro de la enseñanza del magnetismo en el ámbito universitario. Se ha desarrollado una «secuencia de actividades», así como un «plan de instrucción» para grupos experimentales. El diseño que hemos realizado nos ha permitido evaluar el nivel de aprendizaje conseguido por los estudiantes, en lo que se refi ere a los contenidos de tipo conceptual, procedimental y actitudinal. Los resultados obtenidos parecen indicar que los materiales desarrollados, así como la forma en que hemos trabajado con ellos, han contribuido a un aprendizaje más signifi cativo y han favorecido que los estudiantes tengan una actitud más positiva hacia el aprendizaje de esta área de la física. Palabras clave. Innovación educativa, estrategias de enseñanza, planifi cación de secuencia de contenidos, enseñanza del campo magnético. Magnetic fi eld: design and evaluation of teaching strategies based on learning as oriented research Summary. The aim of this study is to analyse students’ ideas about the nature of the magnetic fi eld. We have assumed that a signifi cant knowledge of the source of magnetic fi eld is a basic prerequisite when students are to reason about electromagnetic phenomena. In order to analyse students’ explanations we have taken into account the fact that individual build mental representations to help them understand the functioning of a physic system. These mental representations include different explanatory categories of reality in one same individual depending on the context and the contents concerned. Therefore, we have designed an open-question questionnaire with emphasis on explanations so as to analyse the students’ reasoning. The results found seem to confi rm that students do have serious diffi culties in learning the theory of magnetic fi eld. Keywords. Educational innovation, teaching strategies, design of teaching sequences, teaching of magnetic fi eld. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 304 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) 1. INTRODUCCIÓN Existe un amplio consenso, en la investigación en enseñanza de las ciencias, a la hora de señalar que una comprensión adecuada de la forma en que los estudiantes adquieren los conocimientos científi cos en el contexto escolar puede ayudar a los profesores a planifi car secuencias de aprendizaje más adecuadas para mejorar el aprendizaje de los estudiantes (Driver et al., 1994; Millar et al., 1996; Duit y Treagust, 1998). Las concepciones alternativas de los estudiantes tienen una clara dependencia del contenido particular enseñado (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994; Pozo y Gómez Crespo, 1998). Las difi cultades de aprendizaje de conceptos relacionados con el magnetismo y, en concreto, del concepto de campo magnético han comenzado a investigarse en la última década (Colombo y Fontdevila, 1990; Erickson, 1994; Meneses y Caballero, 1995; Bar et al., 1997; Maarouf y Benyamna, 1997; Galili y Kaplan, 1997; Bagno y Eylon, 1997; Pais de Sousa, 1997; Seroglou et al., 1998; Borges y Gilbert, 1998; Velazco, 1998; Greca y Moreira, 1998; Borges, 1999; Maloney et al., 2001; Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003; Guisasola, Almudí y Ceberio, 2003). Estas investigaciones muestran que los estudiantes no identifi can correctamente las fuentes del campo magnético y que no llegan a establecer una relación de equivalencia, en el ámbito del electromagnetismo, entre una espira de corriente y un imán (Maarouf y Benyamma, 1997; Borges y Gilbert, 1998, País de Sousa, 1997). Así mismo, muchos estudiantes no comprenden la diferencia entre el campo electrostático y el campo magnético estacionario (Galili, 1995; Oliveira et al., 1999; Greca y Moreira, 1998). Del análisis de sus respuestas también se ha podido constatar que, además de las carencias de tipo conceptual que se acaban de señalar, los estudiantes presentaban una serie de difi cultades procedimentales que sería necesario abordar desde una enseñanza dirigida a reestructurar las concepciones de los estudiantes (Viennot, 1996; Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003; Borges y Gilbert, 1998). Así pues, un buen conocimiento científi co no puede reducirse sólo a tratar aspectos conceptuales, que evidentemente intentarían paliar las carencias apuntadas con anterioridad, sino que debe haber, al lado de lo anterior, exigencias procedimentales y ontológicas (Duschl, 1990; Nersessian, 1995; NSES, 1996). Duschl y Gitomer (1997) sugieren que, si queremos conseguir una reestructuración de las concepciones de los estudiantes, parece necesario enseñar aquellos aspectos metodológicos y epistemológicos incluidos en la validación de las teorías, en su contrastación y en la toma de datos. Ellos resaltan la importancia de seleccionar una adecuada secuencia de actividades que permita a los estudiantes adquirir las habilidades necesarias para poder reestructurar sus concepciones. El objetivo del trabajo que aquí presentamos es exponer el tratamiento realizado para superar las difi cultades de enseñanza-aprendizaje en la introducción del concepto de campo magnético. En física, el estudio del campo magnético es muy amplio e incluye diferentes temas como propiedades y producción del campo magnético, inducción magnética y radiación electromagnética. Sin embargo, en este estudio, cuando hablamos de campo magnético, nos referiremos a campos magnéticos estacionarios producidos por cargas en movimiento con velocidad constante o, de forma equivalente, por corrientes estacionarias (corrientes que no varían con el tiempo) dentro de la teoría clásica del electromagnetismo defi nida por las ecuaciones de Maxwell. La idea de que el aprendizaje y la enseñanza de las ciencias se desarrolle como un proceso de tratamiento de situaciones problemáticas abiertas que los alumnos puedan considerar de interés y que se desarrolle en un contexto similar, dentro de lo posible en cada nivel, al de la investigación científi ca, es actualmente compartida por un amplio grupo de investigadores en enseñanza de las ciencias (Gil y Carrascosa, 1985; Duschl y Gitomer, 1991; Hodson, 1992; Duschl y Hamilton, 1998; Jiménez-Aleixandre, 1998; Viennot y Rainson, 1999; Driver, Newton y Osborne, 2000; Verdú, Martínez-Torregrosa y Osuna, 2002; Gil et al., 2002; Furió et al., 2003). Nuestra propuesta, parecida a las citadas, se sitúa dentro de un marco constuctivista del aprendizaje (Driver y Oldham, 1986; Burbules y Linn, 1991; Strike y Posner, 1992; Hodson, 1992) y se basa en el tratamiento de situaciones problemáticas que no puede traducirse en fórmulas sencillas, sino que ha de contemplarse como una actividad científi ca, abierta y creativa debidamente orientada por el profesor (Furió y Gil, 1978; Gil et al., 1999; Furió, 2001; Gil et al., 2002). Esta propuesta se concreta en un trabajo colectivo de investigación orientada, tan alejado de las propuestas por descubrimiento autónomo (Schaw, 1962) como de la transmisión de conocimientos ya elaborados. En nuestra propuesta utilizamos la metáfora del investigador novel cuyo papel consistiría en replicar investigaciones ya conocidas por «el director de las mismas» (el profesor). Es necesario resaltar que no se trata de que los estudiantes construyan por sí solos todos los conocimientos científi cos que tanto tiempo y trabajo exigieron de los más importantes científi cos, sino de colocarles en una situación en la que puedan familiarizarse con el trabajo científi co y sus resultados, abordando problemas conocidos. El planteamiento constructivista del aprendizaje de las ciencias ha de responder a las características de «investigación orientada» en el sentido de que constantemente se cotejan los resultados de los distintos equipos y se cuenta con la inestimable ayuda de un experto (Furió et al., 2003). En la primera parte de este trabajo, expondremos, de forma breve, los indicadores de un aprendizaje comprensivo del campo magnético en primer curso de universidad. En la segunda parte, resumiremos la secuencia de actividades de enseñanza. En la tercera, expondremos los resultados obtenidos al desarrollar la secuencia de enseñanza en el aula. En la última sección, se expondrán algunas conclusiones e implicaciones para la enseñanza. 2. ¿QUÉ SIGNIFICA APRENDER CON COMPRESIÓN EL CONCEPTO DE CAMPO MAGNÉTICO? La elaboración de una serie de indicadores de aprendizaje del concepto de campo magnético ha tenido en cuenta los resultados de la investigación didáctica sobre INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 305 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) concepciones alternativas de los estudiantes, el marco teórico actual y, también, las investigaciones sobre la historia de los problemas que tuvieron lugar en la construcción de la teoría de campo magnético a fi nales del siglo xix (Whittaker, 1987; Wandersee, 1992; Almudí, 2002; Guisasola, Almudí y Furió, 2003). En primer lugar, una clara comprensión del concepto de campo magnético implica estar familiarizado con los fenómenos magnéticos producidos por imanes y corrientes eléctricas. Esto nos lleva a establecer los primeros indicadores: 1.1. Reconocer los imanes como fuentes del campo magnético, a través de una serie de características propias de la interacción magnética, como: sólo actúa sobre materiales muy concretos; siempre tiene dos polos; actúa a distancia; hacen girar la brújula. 1.2. Conocer que las líneas de campo magnético de los imanes son cerradas. Saber aplicar el teorema de Gauss en esta situación y, como consecuencia, llegar a reconocer la imposibilidad de que existan «monopolos magnéticos». 1.3. Reconocer que las cargas en movimiento, respecto de un observador inercial, producen campo magnético. En particular, saber explicar de forma cualitativa, el campo magnético de diferentes fenómenos como: una carga en movimiento, intensidad de corriente eléctrica en un circuito cerrado, hilo largo por el que pasa una corriente eléctrica, espira de corriente, solenoide. La familiarización con los fenómenos magnéticos lleva a plantearse un análisis cuantitativo de estos fenómenos y esto implica: 2.1. Saber analizar de forma cuantitativa el campo magnético producido por una barra imanada. 2.2. Saber analizar y expresar de forma cuantitativa el campo magnético creado por: a) una carga móvil; b) un elemento de corriente; c) un hilo de corriente; d) una espira; e) un solenoide. Los dos indicadores anteriores suponen utilizar con signifi cado las leyes de Biot y Savart, y Ampère. Así mismo, se han analizado dos fuentes aparentemente distintas del campo magnético que, sin embargo, son una sola y que implica: 3. Saber relacionar el campo magnético de una espira y el de un imán, a través, en una primera aproximación, del modelo electromagnético de la materia de Ampère. Además, será necesario conocer los límites de este modelo explicativo y las características principales de modelos posteriores. Los indicadores que hemos comentado constituyen un universo de conceptos y relaciones que forman el marco conceptual de la interacción electromagnética estacionaria. Sin embargo, también existen exigencias epistemológicas y actitudinales que no pueden soslayarse en un aprendizaje comprensivo de los conocimientos científi - cos. Estas exigencias de aprendizaje son: 4.1. Conocer que los conceptos científi cos se introducen con el propósito de resolver problemas de interés científi co y social. 4.2. Utilizar reiteradamente las estrategias del trabajo científi co en el caso de las interacciones electromagnéticas (analizar situaciones problemáticas, concebir hipótesis de trabajo, diseñar y realizar experimentos, obtener modelos con las limitaciones adecuadas, interpretar físicamente datos numéricos, análisis crítico de proposiciones, comparar sus avances con los de su entorno más próximo priorizando, por ejemplo, el trabajo cooperativo ...). 4.3. Saber analizar aplicaciones CTS que permitan contextualizar la teoría aprendida y que permita a los futuros ingenieros, como ciudadanos, adoptar actitudes responsables hacia el desarrollo tecnológico y las implicaciones de carácter social que conlleva. Estos indicadores de aprendizaje han de terminar concretándose en una planifi cación de actividades y tareas para trabajar en el aula los contenidos de aprendizaje seleccionados. Esto lo presentamos en el siguiente apartado. 3. SECUENCIA DE ACTIVIDADES PARA LA INTRODUCCIÓN DEL CONCEPTO DE CAMPO MAGNÉTICO Nuestra secuencia de actividades parte de los indicadores de comprensión diseñados y tiene en cuenta el contexto de investigación en el que surgen los problemas. Se pretende evitar una visión reduccionista de la naturaleza de la ciencia más preocupada por los resultados de la investigación científi ca que por sus problemas y métodos. Todo lo anterior sirve para fundamentar una secuencia de contenidos de un curso de introducción al campo magnético en primer curso de universidad (Almudí, 2002) y que se presenta en la tabla 1. De acuerdo con las características de la naturaleza de la ciencia mencionadas, es necesario tener en cuenta que el cuerpo de conocimientos del tema supone mucho más que aprender un conjunto de conceptos y teorías, y que «hacer ciencia» en la clase incluye procesos de culturización en una comunidad que tiene sus propias formas de conocimiento, expresión y validación (Latour y Woolgar, 1995; Jiménez-Aleixandre, 1998). El proceso de interacción de los grupos de estudiantes con el material, entre ellos y con el profesor implica la familiarización con la cultura científi ca y cambios en el discurso de las personas y del grupo de trabajo. Vamos a mostrar, a modo de ejemplo, el esquema de la secuencia de actividades para el apartado 1 del programa (Tabla 2) y el desarrollo en clase de algunas de las actividades propuestas. Como ya se dicho con anterioridad, el conjunto de actividades que aparecen en la tabla 2 son sólo una muestra de todas las que se proponen en el «Programa de Actividades». En dicho programa proponemos otros diseños experimentales para obtener diferentes espectros INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 306 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) magnéticos. De cualquier forma, el conjunto de todos ellos tiene, entre otros, un objetivo claro, que es mostrar las características propias de las líneas de campo en el ámbito del magnetismo estacionario e intentar superar las difi cultades de aprendizaje que la investigación didáctica ha mostrado reiteradamente (Törnkvist, Petterson y Tranströmer, 1993: Pocovi y Finley, 2002). Estas actividades, aunque inspiradas en los libros de texto y trabajos de investigación, se han desarrollado específi camente para esta investigación. La principal fuente de inspiración ha sido el libro de texto de Chabay y Sherwood (1995). Antes de realizar las actividades A.8 y A.9, los estudiantes han constatado que el campo magnético de un imán presenta particularidades propias y diferentes de la interacción eléctrica estudiada en las lecciones anteriores. Ahora, en el proceso de resolución de las actividades A.8 y A.9., se verá la necesidad de introducir nuevos conocimientos, como el principio de superposición para la interacción electromagnética y las características del campo magnético de un imán. Antes de continuar, queremos hacer notar que, aunque los estudiantes ya han trabajado en otras actividades cómo se comporta un imán muy largo, en relación a las dimensiones de sus polos (la fuerza de interacción entre polos de dos imanes depende del inverso del cuadrado de la distancia), ahora nos interesa destacar el caso que proponemos (dipolo magnético), que es el más habitual, para compararlo, más tarde, con el campo que crea una espira de corriente en su eje de simetría. Reproducimos a continuación el desarrollo en clase. Todos los grupos trabajan la actividad 8 y calculan con el vector campo magnético de la tierra y el ángulo de desviación de la brújula el campo magnético producido por el imán: Secretario del Grupo 11: Ya sabemos que el vector intensidad de campo producido por un imán está en dirección horizontal y, por tanto, podemos formar un triángulo rectángulo. Por tanto, tendremos que Bimán= Btierra tgθ. El profesor pregunta, a los demás grupos, si han calculado de esta manera el campo magnético del imán y los resultados obtenidos. Representante del Grupo 6: Sí, nosotros también lo hemos hecho así y nos sale un valor de 3,5 10-5 T para la distancia de 18,3 cm. Secretario del Grupo 2: Nosotros tenemos el mismo resultado y, para la distancia doble, nos sale 0,42 10-5 T. Los grupos dialogan entre sí y expresan su acuerdo sobre los resultados. Sólo dos grupos tienen que rectifi car debido a problemas de cálculo. El profesor pregunta: ¿Qué principio físico, que también se cumple en otras interacciones de la naturaleza, nos ha permitido calcular el campo magnético del imán? Los grupos de trabajo tratan de responder la pregunta. Después de unos minutos los representantes de cada grupo dan sus explicaciones: Representante del Grupo 6: No entendemos la pregunta, nosotros hemos calculado los componentes de los vectores de acuerdo con lo que hemos visto en otros temas y en éste. Representante del Grupo 2: Bueno creemos que se trata de justifi car por qué podemos calcular los vectores en ese punto y creo que se refi ere al principio de superposición que hemos visto en las lecciones de campo eléctrico. Como los efectos son independientes, se pueden sumar en un mismo punto. Después, otros grupos dan su opinión a favor y se llega a un consenso. El profesor interviene en la discusión estimulando que los estudiantes justifi quen la validez de la forma de obtener el campo del imán de acuerdo con los principios ya estudiados. Al fi nal, el profesor realiza un resumen de todas las aportaciones y consensos logrados: bien, en este caso concreto parece necesario suponer que en la interacción magnética se cumple también el principio de superposición que ya hemos estudiado en la interacción eléctrica y en la gravitatoria. Además hay que saber que la comunidad científi ca ha experimentado con muchos y diferentes fenómenos de interacción electromagnética y se ha llegado a la conclusión de que el principio de superposición se cumple. Así pues, lo utilizaremos para analizar este tipo de fenómenos. A continuación el profesor les dice que profundicen en la búsqueda de una expresión cuantitativa para el campo magnético producido por un barra magnética y que respondan a la actividad 9. Después de trabajar, se inicia un turno de puesta en común: Representante del Grupo 5: Bueno, en la actividad anterior hemos obtenido que, a mayor distancia, menos intensidad de campo magnético. Así pues, habrá una relación inversa. Tabla 1 Programa para iniciación al estudio del campo magnético en primer curso de universidad. Introducción ¿Qué interés puede tener el estudio de los fenómenos magnéticos? ¿Cómo detectar un campo magnético? Primera parte: Fenómenos magnéticos 1. Imanes e interacción magnética 2. ¿Existen otras fuentes del campo magnético estacionario distintas a los imanes? 3. Campo magnético creado por diferentes confi guraciones de corriente. 4. ¿Cómo explicar la unicidad de las fuentes del campo magnético estacionario? Modelo magnético de la materia.: modelo de Ampère. Limitaciones del modelo de Ampère. Otros modelos posteriores. 5. Problemas prácticos que puede resolver el conocimiento de los fenómenos magnéticos Segunda parte: Profundización en el estudio cuantitativo del campo magnético estacionario 6. ¿Existe alguna relación cuantitativa entre las líneas de campo magnético y su fuente? Ley de Ampère. 7. Naturaleza relativista del campo magnético. 8. Nuevos interrogantes que plantean los conocimientos alcanzados que darán lugar al estudio de las fuerzas magnéticas. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 307 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) Representante del Grupo 8: Estamos de acuerdo, a mayor distancia menor campo. Pero, además en electricidad hemos visto que el campo eléctrico de una carga puntual es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, así que creemos que en este caso pasará algo similar. Así pues, el valor del campo y la distancia estarán relacionados B = K 1/d2 Representante del Grupo 1: Nosotros al principio hemos pensado lo mismo, pero los resultados que hemos obtenido en la actividad 8 no están de acuerdo con esa relación. Si utilizamos los dos datos que hemos obtenido nos sale que, al duplicar la distancia, el campo tiene una relación 3,5/0,42 = 8,3, que es parecido a 23. Según este resultado, la relación entre campo y distancia será: B = K 1/d3. Después de una discusión entre los grupos, y de aceptarse la propuesta del grupo 1, el profesor resume y reformula las diferentes aportaciones y les pregunta si recuerdan algún otro campo ya estudiado cuya intensidad variaba de la misma forma. Los estudiantes refl exionan sobre la pregunta, y 5 de los 11 grupos son capaces de relacionar los conocimientos de este tema con los adquiridos en el tema de electricidad. Estos grupos se expresan de la siguiente manera: Representante del Grupo 5: Hemos recordado que, cuando veíamos campo eléctrico, el dipolo eléctrico producía un campo cuya dependencia con la distancia era la misma. El profesor resume lo trabajado en las actividades y establece la conclusión de que, en el caso del campo magnético de un imán, la dependencia con la distancia no es similar a la del campo eléctrico de una carga puntual sino que se parece al del dipolo eléctrico. El profesor indica que, debido a esta similitud, los libros de texto denominan al imán dipolo magnético y advierte que esta similitud será interesante de estudiar y que se trabajará en otras actividades de la secuencia. Vamos a mostrar otro ejemplo de desarrollo en el aula para la secuencia de actividades del apartado 4 del programa (Tabla 3) Tabla 2 Secuencia de actividades para el apartado 1 del programa. Ejemplo de actividades Objetivos A.5. Antes de poner el imán, la brújula está orientada hacia el Norte (Fig. a), pero, después de poner un imán a su lado, su orientación cambia (Fig. b). ¿Cuál será la dirección y sentido del campo magnético creado por el imán? Cuando se da la vuelta al imán (giro de 180º), ¿qué dirección tomará la brújula?, ¿cuál será la dirección y sentido del campo magnético del imán? a) b) A.6. ¿Qué sucederá en los siguientes supuestos?: a) si enfrentamos dos imanes iguales por su polo Norte; b) si los enfrentamos por sus polos distintos; c) si colocamos una brújula en el espacio comprendido entre los dos imanes (a igual distancia de ambos), cuando están enfrentados por su polo Norte. A.8. El campo magnético en una zona de la Tierra es de 2’5x10-5 Teslas. Se pone un imán a una distancia de 18’3 cm de la brújula, y la aguja gira 60º con respecto a la vertical. ¿Cuánto es la intensidad del campo magnético creado por el imán? Si duplicamos la distancia, el ángulo es de 12º respecto a la vertical. ¿Cuánto será ahora la intensidad del campo magnético? a) BT = 2’5x10-5 b) θ = 60º c) θ = 12º A.9. Como habrás comprobado, el campo magnético decrece con la distancia. ¿Cómo será la dependencia entre la intensidad del campo magnético producido por el imán y la distancia? Explícalo y exprésalo mediante una ecuación. A.11. Nunca se ha encontrado que un imán haya creado un campo magnético cuyo «mapa» de líneas de campo fuese como los mostrados en la fi gura. ¿Qué conclusión podrías sacar acerca de este hecho de la naturaleza? A.12. Las líneas de campo de un imán, ¿también recorren su interior? ¿Cuál de las dos fi guras es correcta? ¿Cómo podrías justifi carlo? A.13. Teniendo en cuenta las líneas de campo de un imán, aplica el teorema de Gauss para calcular el fl ujo que pasa a través de una superfi cie cerrada. Puedes elegir la superfi cie cerrada que quieras. (Recomendación: recuerda el teorema de Gauss para el campo eléctrico). ¿Cómo interpretarías el resultado obtenido? 1. Reconocer el imán como fuente del campo magnético 2. Características de los imanes 3. Defi nición operativa del campo magnético de un imán 4. Líneas de campo magnético de un imán S N S N S N INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 308 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) Tabla 3 Secuencia de actividades para el apartado 4 del programa. Ejemplo de actividades Objetivos A.37. Observa las orientaciones de la brújula obtenidas en una experiencia de laboratorio para un imán y un solenoide. ¿Podrías sacar alguna conclusión? A.40. Si el magnetismo no es más que un efecto de la corriente eléctrica, y sin corriente no puede existir magnetismo, ¿cómo es que a un imán no hay que «enchufarlo» a la corriente para que funcione? A.41. ¿Por qué crees que el científi co Ampère sugirió, con acierto, que las corrientes eléctricas eran la causa básica de todo el magnetismo, incluidos la Tierra y los imanes ? (Sugerencia: observa el resultado de las actividades previas A.9, A.10, A.12, A.30, A.32, A.33 y A.37). A.42. Si la fi gura siguiente representa un posible modelo de estructura atómica de los imanes, ¿cómo dibujarías en cada punto de los señalados el campo magnético creado por los átomos? Por otro lado, si a es el radio de la órbita de cada electrón alrededor de su núcleo, ¿cómo se podría calcular el valor de B? A.43. El campo magnético teórico que se calcula, basado en el modelo anterior, cuando nos ponemos a una distancia de 18’3 cm del imán, es de aproximadamente T. Compara este resultado con el que medimos en la actividad A.8 y saca conclusiones. A.44. El modelo de Ampère que hemos construido, sabemos que se basa en una simplifi cación de la realidad, puesto que en él hemos supuesto que alrededor de cada núcleo del material estaba orbitando un solo electrón, y sabemos hoy en día que eso no es así. ¿Cómo se modifi caría el modelo explicativo para que respondiese mejor a la realidad? A.48. ¿Para qué crees que Sturgeon, en 1825, introdujo una barra de hierro dentro de un solenoide? 6. Relacionar desde el punto de vista cualitativo el campo magnético de una espira y de un imán. 7. Establecer una única fuente del campo magnético. 8. Defi nición del modelo de Ampére. 9. Modelo magnético de la materia. 10. Aplicaciones CTS. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 309 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) Al comienzo de la secuencia de actividades, el profesor realiza un resumen de las cuestiones debatidas hasta el momento y recuerda que, en el apartado 1, se analizó el comportamiento de los imanes en cuanto a la creación de campos magnéticos, pero sin refl exionar en profundidad acerca del «porqué» de dicho comportamiento. En los apartados 2 y 3, se estudiaron los campos magnéticos creados por diferentes confi guraciones de corriente. Ahora, en el apartado 4, se van a comparar las dos fuentes del campo magnético estudiadas hasta ahora, los imanes y las cargas en movimiento. Las actividades 37, 40 y 41 tienen como objetivo que los estudiantes expliciten sus ideas sobre la equivalencia entre imanes y corrientes como fuentes del campo magnético. Se trata de que los estudiantes vayan viendo la equivalencia de las dos fuentes y consideren que el modelo propuesto por Ampère no es una «idea feliz» sino que tiene una base racional en el análisis de muchos fenómenos que en principio parecen diferentes y en las aportaciones de otros científi cos anteriores. Los estudiantes intervienen en la puesta en común de las actividades interactuando con otros grupos y con el profesor: Representante del Grupo 5 (actividad 37): Tienen un comportamiento parecido, ya que la brújula se orienta igual con el imán y con el solenoide. Esto quiere decir que ambos generan un campo magnético parecido. Representante del Grupo 8 (actividad 37): Sí, estamos de acuerdo pero además parece como si en el imán hubiera una corriente eléctrica igual que en el solenoide. Representante del Grupo 1 (actividad 37): Pero eso no es posible... ya hemos visto que, si hay corriente eléctrica en un cable, se nota porque te da calambre, pero al coger el imán no te da calambre ... Representante del Grupo 8 (actividad 37): Puede que exista corriente eléctrica en el imán pero que sea muy pequeña y no la notemos . Representante del Grupo 1 (actividad 37): ... no será tan pequeña cuando puede generar un campo magnético que se detecta con la brújula. El profesor invita a analizar más preguntas sobre las diferentes hipótesis explicadas por los grupos para los casos de las actividades 40 y 41. Se trata de que las hipótesis de trabajo se apoyen sobre bases racionales y no se elijan por la autoridad del profesor. Al fi nalizar estas actividades parece que se llega a un consenso de que algún tipo de corriente debe existir en los imanes pero no se sabe muy bien cómo. Para ello el profesor les invita a realizar la actividad 42, donde se expone un primer modelo de Ampère simplifi cado de la naturaleza magnética de la materia. Esta propuesta parece que clarifi ca las explicaciones de los estudiantes: Representante del Grupo 8 (actividad 42): ...si tenemos en cuenta el movimiento de los electrones al girar, se produce un campo magnético muy pequeño pero, al sumar el campo magnético de todos los electrones, sucede que el campo resultante se nota desde el exterior ... Representante del Grupo 1 (actividad 42): Estamos de acuerdo con el modelo, ya que el movimiento de las cargas de los electrones no da calambre, pero la suma de los pequeños campos magnéticos sí la podemos notar, como hemos visto en diferentes experimentos. A lo largo de todo el programa existen actividades de evaluación y feedback que permiten a los estudiantes conocer el aprendizaje que van adquiriendo y facilitan al profesor tomar datos sobre la situación de aprendizaje de los estudiantes. Algunas actividades de este tipo se pueden ver en los anexos 1 y 2. En otras actividades utilizamos aplicaciones CTS que pueden ser explicadas (generalmente de forma cualitativa) utilizando los nuevos conceptos estudiados. 4. PLAN DE INSTRUCCIÓN EMPLEADO CON LOS GRUPOS EXPERIMENTALES La propuesta innovadora se desarrolló dentro de un contexto rígido de horario y programa básico establecidos para la asignatura de Fundamentos Físicos de la Ingeniería, que era el mismo para todos los grupos experimentales y de control. Esto nos parece una condición necesaria tanto para evaluar la propuesta innovadora como para su viabilidad en cualquier curso de física en primer curso de universidad. La propuesta buscó un equilibrio entre los temas a impartir durante el curso, el programa innovador y el tiempo de docencia disponible. Esto signifi ca que dicha propuesta innovadora no se caracteriza por cambios espectaculares en la infraestructura y recursos que se utilizan habitualmente en el sistema educativo, sino por cambios cualitativos en las estrategias de enseñanza empleadas en el aula, por las actividades propuestas a los estudiantes en el programa y por la secuenciación de los contenidos conceptuales y metodológicos. El desarrollo en el aula fue realizado por tres profesores, dos de ellos ajenos a la investigación pero expertos en la aplicación de programas de actividades y que pertenecen al equipo de enseñanza que utiliza esta metodología de trabajo. La clase se organizó en pequeños grupos de 4 estudiantes que debaten y realizan las actividades propuestas mediante puestas en común de toda la clase bajo la dirección y orientación del profesor. Los estudiantes trabajaron durante todo el curso con la misma metodología, por lo que no supuso para ellos ninguna novedad la forma de trabajar la unidad «Fuentes del campo magnético». Esta unidad se desarrolló durante un período de tres semanas (12 horas). Dos de los autores de este trabajo realizaron las actividades correspondientes a la unidad «Fuentes del campo magnético» y diseñaron un curso de tutela para familiarizar a los profesores con los objetivos y contenidos del programa y con las difi cultades de aprendizaje para conseguirlo. Uno de ellos tuteló a los dos profesores externos a la investigación. El programa de tutoría se ha realizado en 4 sesiones de trabajo de 2,30 horas cada una. Estas sesiones proporcionan a los profesores oportunidades para refl exionar sobre los conceptos implicados en el tema y profundizar en su comprensión, para analizar las implicaciones pedagógi- INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 310 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) cas, para familiarizarse con los materiales que se han diseñado y realizar las aportaciones que consideren oportunas de acuerdo con su experiencia de aula y para considerar métodos de evaluar el aprendizaje logrado por los estudiantes. Por ejemplo, al comenzar a analizar el programa, los profesores expresan sus dudas respecto a comenzar el tema «Magnetismo» analizando sus fuentes, a diferencia de lo que ellos, y muchos libros de texto hacen, al comenzar por los efectos (fuerzas) y seguir con las fuentes (campo). Sin embargo, la discusión posterior permitió hacer ver a los profesores que la secuenciación habitual presenta algunas difi cultades si se tienen en cuenta las concepciones alternativas de los estudiantes. De acuerdo con Salinas y Velazco (1997), «la mayoría de los estudiantes asumen que es necesario que haya un efecto para aceptar la existencia de una causa virtual». Otros estudios sobre difi cultades de los estudiantes en magnetismo convergen con la idea anterior y ponen de manifi esto que la mayoría de los estudiantes desconoce o no sabe justifi car la fuente del campo magnético y, como consecuencia, no saben con seguridad sobre qué propiedad de la materia actúa dicho campo (Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2004; Maloney et al., 2001). Al fi nal de la discusión, los profesores estuvieron de acuerdo en realizar una secuenciación que comience por las fuentes del campo y continúe por sus efectos (fuerza magnética). De esta forma, se podría evitar fomentar posibles ideas alternativas del tipo «si no hay fuerza, no hay campo» (Viennot, 1996). Durante las reuniones se adoptaron decisiones sobre las estrategias de enseñanza de acuerdo con las características del aprendizaje como investigación orientada. Más que analizar los conceptos teóricos del tema aislados se analizaba los objetivos conceptuales y metodológicos de aprendizaje contextualizados en las actividades del programa. La tercera reunión y la cuarta se realizaron cuando los profesores estaban desarrollando el tema en el aula, para refl exionar sobre las difi cultades que iban surgiendo en ésta. Por ejemplo, fue necesario insistir en las actividades que incidían en el interés de lo estudiado a través de las relaciones ciencia-técnica-sociedad, ya que, si bien eran consideradas muy interesantes por los profesores, a la hora de llevarlas a la práctica se mandaban leer en casa y se comentaban de forma rápida. La razón que se aducía para justifi car esta contradicción entre lo que se piensa y lo que se había realizado era la falta de tiempo. Sin embargo, esto podría indicar una carencia desde el punto de vista metodológico (la importancia de las relaciones CTS para fomentar una actitud positiva en el alumnado) y epistemológico (la importancia de las relaciones CTS en el desarrollo de la ciencia), por lo que fue necesario discutir y resaltar la importancia de las actividades mencionadas. 5. DISEÑO EXPERIMENTAL La muestra de estudiantes La investigación se desarrolló durante los cursos 19992000 y 2000-2001 en el curso de Fundamentos Físicos de la Ingeniería de la titulación de Ingenieros Técnicos en Electrónica Industrial de la Universidad del País Vasco - Euskal Herriko Unibertsitatea (Almudí, 2002). Los estudiantes del curso tuvieron que superar la prueba de selectividad para entrar en la Universidad y tenían una media de edad de 19 años. Todos los estudiantes habían seguido anteriormente al menos dos cursos de física sobre temas de electromagnetismo en la enseñanza secundaria. Sin embargo, su conocimiento del área puede ser descrito por un aprendizaje memorístico de conceptos, leyes, reglas y procedimientos, que puede servirles para resolver problemas estándar y ejercicios de examen, pero no tienen una comprensión sufi ciente para aplicarlos a diferentes contextos y fenómenos (Guisasola, Almudí y Ceberio, 2001; Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003). Los resultados de la investigación incluyen 3 grupos experimentales en el segundo año (2000-2001) de aplicación en el aula. Dos de ellos tenían alrededor de 35 alumnos y se ubicaban en la Escuela de Ingeniería Técnica Industrial de Bilbao. En adelante los denominaremos Grupo 1 y Grupo 2. El tercer grupo estaba formado por alrededor de 50 estudiantes y se ubicaba en la Escuela Universitaria Politécnica de San Sebastián. En adelante lo denominaremos Grupo 3. Así mismo, en el curso 2000-2001 se incluyeron 2 grupos de control formados por 65 estudiantes con las mismas características que los experimentales y que estudiaban el mismo curso, pero su enseñanza seguía la metodología habitual en las clases universitarias de transmisión verbal de conocimientos ya elaborados. Estos dos grupos los denominaremos Grupo C. Instrumentos para evaluar el aprendizaje logrado por los estudiantes experimentales De acuerdo con el modelo de enseñanza-aprendizaje expuesto, el aprendizaje logrado por los estudiantes no puede mostrarse únicamente a través del mejor aprendizaje de los contenidos conceptuales. En efecto, el aprendizaje de los estudiantes será signifi cativo en la medida que su forma de identifi car y analizar contextos donde se aplican determinados conceptos se aproxime a la de los científi cos. Por lo tanto, para mostrar la plausibilidad y posibilidades de la enseñanza realizada, será necesario constatar, al mismo tiempo, las mejoras en los contenidos conceptuales y metodológicos. Para ello se han diseñado dos tipos de pruebas. La primera prueba consiste en un cuestionario de 7 ítems (Anexo 1) que recogen los objetivos de aprendizaje propuestos en el tema y algunos de los cuales han sido utilizados en un trabajo anterior para analizar difi cultades de aprendizaje de la teoría magnética (Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003). Las cuestiones aquí expuestas han sido analizadas por los autores y otros dos profesores de reconocido prestigio del departamento de Física a partir de protocolos de corrección cuyos criterios han sido previamente discutidos. El cuestionario se pasó a los estudiantes un mes después de impartirse la lección en situación de examen. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 311 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) La segunda prueba consiste en proponer tres situaciones problemáticas (Anexo 2) para que sean interpretadas por 6 grupos de estudiantes de las clases experimentales elegidos arbitrariamente. Estas situaciones se presentaron en el laboratorio como clases prácticas. Al fi nalizar la discusión, los estudiantes debían realizar un informe explicando sus conclusiones y justifi cándolas. Así mismo, las discusiones de los grupos de estudiantes fueron gravadas con su consentimiento. Las dos pruebas anteriores tratan de evaluar la posible mejora del aprendizaje en los aspectos conceptuales y metodológicos. Sin embargo, otro de los aspectos en los que incide el modelo de aprendizaje como investigación orientada es el actitudinal, que intenta favorecer una actitud positiva hacia la física y su aprendizaje. En consecuencia, se diseñó una tercera prueba que consiste en un cuestionario con diversas sentencias en relación con los contenidos que se han trabajado, la forma de trabajar en el aula y la satisfacción global con la enseñanza-aprendizaje de la asignatura. Los estudiantes deben elegir en una escala Likert, adaptada a una valoración más interiorizada por ellos, que va de 0 a 10, según su acuerdo o su desacuerdo con las sentencias del cuestionario. Análisis de los datos El análisis de la primera prueba se basa en métodos convencionales de comparación entre las medias de respuestas consideradas como correctas entre los grupos experimentales y de control. Para decidir si existen o no diferencias signifi cativas entre los grupos experimentales y los de control, se utilizó el parámetro estadístico χ2 para el nivel de confi anza habitual del 5% o menor. En la segunda prueba, se han analizado los informes y las conversaciones gravadas para valorar los razonamientos y argumentos empleados por los equipos de trabajo de estudiantes al enfrentarse a problemas (segunda prueba). Las discusiones han sido literalmente transcritas a un protocolo y el análisis del mismo se ha realizado tomando como referentes las categorías de respuesta que se encontraron en trabajos de investigación anteriores sobre las difi cultades de aprendizaje de la teoría del campo magnético (Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003; Meneses y Caballero, 1995; Maloney et al., 2001). A lo largo del análisis, las categorías previas fueron matizadas y reformuladas de acuerdo con los resultados obtenidos (Ericsson y Simon, 1984; De Jong, 1995). Esta segunda prueba se pasó sólo a los estudiantes de los grupos experimentales, ya que se pretende analizar los razonamientos empleados por estos estudiantes y los recursos metodológicos a utilizar para validar sus explicaciones. En la tercera prueba se utilizaron los métodos convencionales de análisis de un prueba Likert (Sierra, 1995). Así mismo, esta tercera prueba fue contestada únicamente por los estudiantes de las clases experimentales, ya que el tipo de preguntas no respondía a la dinámica de clase seguida por los estudiantes de los grupos de control. Este cuestionario fue contestado por los estudiantes al fi nal del curso poniéndonos en la situación más desfavorable para la evaluación de la enseñanza impartida. La investigación señala que las expectativas y actitudes positivas de los estudiantes hacia la enseñanza-aprendizaje de las ciencias disminuye a lo largo del curso académico. El análisis de los datos refl eja el aprendizaje logrado por los estudiantes al desarrollarse una secuencia de enseñanza que se realizó en dos escuelas de ingeniería técnica de la misma Universidad y con tres profesores. Queremos resaltar que los temas y el nivel enseñados en todos los grupos fueron similares y marcados por la dirección del Departamento de Física Aplicada, que es la encargada de certifi car el programa de enseñanza. Así mismo, el nivel de partida de los estudiantes en todos los grupos puede ser considerado similar y con un nivel de conocimiento estándar de acuerdo con un estudio anterior dentro de esta misma investigación (Guisasola, Almudí, Zubimendi, 2004). En resumen, pensamos que los cuestionarios y datos cuantitativos utilizados en esta investigación son válidos para la evaluación de la propuesta innovadora que presentamos y para su comparación con la enseñanza habitual. 6. PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Resultados del cuestionario para comparar el aprendizaje conceptual logrado por los grupos experimentales y de control La tabla 4 recoge los resultados del análisis comparativo entre las respuesta dadas a las cuestiones del anexo I por sendas muestras de estudiantes sometidos a la nueva propuesta de aprendizaje (grupo 1, 2 y 3) y a la enseñanza habitual (grupo C) de la teoría de campo magnético estacionario. Como podemos observar en el gráfi co 1, las diferencias, para todos los ítems entre los grupos experimentales y el grupo de control son estadísticamente signifi cativas. El estadístico χ2 ha sido calculado para el grupo de control y el resultado más desfavorable de los grupos experimentales, obteniéndose en todos los casos que las diferencias son signifi cativas con un nivel de confi anza menor al 1%. Las difi cultades que presentan los estudiantes al responder a las cuestiones planteadas ya han sido comentadas en trabajos anteriores (Guisasola, Almudí y Ceberio, 2001; Guisasola, Almudí y Zubimendi, 2003). Aquí nos vamos a limitar a constatar que los resultados obtenidos en los grupos experimentales apoyan las posibilidades de mejora del aprendizaje de la teoría del campo magnético con la nueva propuesta de enseñanza. En particular, se observa una mejora notable en el conocimiento signifi cativo de las fuentes del campo magnético (ítems 1, 2, 3 y 5), lo que infl uye directamente en una mejora del conocimiento acerca de sobre qué actúa el campo magnético (ítems 2, 3 y 4). Otro aspecto que mejora es el conocimiento del funcionamiento de los imanes (ítems 2 y 3), que se traduce en que los estudiantes experimentales relacionan el imán con la otra INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 318 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) ANEXO 1 Cuestionario 1) La línea de trazos de la fi gura representa la dirección del campo magnético terrestre. En el punto A hay una brújula y en el punto B se encuentra una partícula en reposo cargada con una carga Q positiva. a) Dibuja sobre A una fl echa que represente la orientación de la aguja de la brújula. b) Explica las razones de tu respuesta. Explicación: 2) ¿Por qué crees que un imán como el de la fi gura atraerá un material de hierro como, por ejemplo, un «clip»? Explicación: 3) Tenemos una espira fi jada en un circuito de corriente continua y enfrente un imán, como se indica en la fi gura. ¿Que sucederá? (Si para tu razonamiento utilizas alguna ley física, indica cuál es). Explicación: 4) Un estudiante afi rma que, en la situación de la fi gura, el imán y la bolita de poliestireno, cargada con una carga Q negativa, se repelerán mutuamente. ¿Estás de acuerdo con dicha afi rmación? Explícalo detalladamente. Explicación: 5) ¿Crea un campo magnético, una carga +Q en reposo, en un lugar situado a una distancia d de ella, si en ese sitio: a) se encuentra una carga en reposo +q? b) no hay carga alguna? c) existe una carga -q moviéndose con velocidad v? Explicación: 6) Por un hilo rectilíneo pasa una intensidad de corriente constante I. A una distancia d de dicho hilo se encuentra una carga puntual q moviéndose con velocidad v, paralelamente a I. Explica razonadamente con cuál de las siguientes afi rmaciones estás de acuerdo: a) La fuerza que soportaría la carga sería sólo eléctrica, debida al campo eléctrico que crea la corriente. b) La fuerza que soportaría la carga sería sólo magnética, debida al campo magnético que crea la corriente. c) La fuerza que soportaría la carga sería la resultante de las fuerzas eléctrica y magnética, debidas a los campos eléctrico y magnético que crea la corriente. Explicación: 7) Un alumno, A1, calcula el campo magnético total creado por dos partículas cargadas que se aproximan entre sí. Otro alumno, A2, calcula el campo magnético creado por el mismo par de cargas (en el mismo lugar y en el mismo instante que el calculado por el alumno A1) y obtiene un resultado diferente. ¿Podría ser que los dos alumnos tuvieran razón? Explica detalladamente tu respuesta. N A S B 45º +Q INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 319 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2005, 23(3) ANEXO 2 Entrevista 1) Marca con cruces las opciones con las que estés de acuerdo. a) Una canica de madera con carga Q positiva: genera un campo eléctrico. genera un campo magnético. genera un campo eléctrico y un campo magnético. no genera ni campo eléctrico ni magnético. b) Una canica de cobre con carga Q positiva: genera un campo eléctrico. genera un campo magnético. genera un campo eléctrico y un campo magnético. no genera ni campo eléctrico ni magnético. c) Una canica de hierro sin carga eléctrica neta: genera un campo eléctrico. genera un campo magnético. genera un campo eléctrico y un campo magnético. no genera ni campo eléctrico ni magnético. Explicación: 2) Un imán crea un campo magnético a su alrededor debido a: a) que en un imán hay una parte donde se acumula carga positiva y otra donde se acumula carga negativa. b) que dentro del imán existen corrientes de electrones que llevan a la creación de un campo magnético. c) otra respuesta. (Si optas por esta última, indica cuál es.) Explicación: 3) Un estudiante afi rma que «una carga situada en una región donde existe un campo magnético siempre estará sometida a una fuerza magnética». Explica si estás de acuerdo con la información y justifi ca tu respuesta lo más detalladamente posible.