Física - NAP

Documento de Núcleos de Aprendizaje Prioritarios

Propuesta general: DE LA RADIACIÓN SOLAR A LOS ALIMENTOS

Durante el ciclo básico los estudiantes han tenido oportunidad de abordar conceptos relacionados con la energía, su transformación, la teoría corpuscular de la materia, la radiación electromagnética y otras nociones en relación con los procesos físicos.

Las secuencias de trabajo que aquí se presentan les permitirá profundizar y promover una mayor comprensión de tales conceptos, al mismo tiempo que facilitará la introducción de nuevos conceptos necesarios para la comprensión de fenómenos nuevos.

La propuesta general de considerar como punto de partida la producción de energía radiante solar y como punto de llegada su transformación en alimentos cuando esa radiación alcanza la superficie terrestre es una propuesta suficientemente abierta como para incluir los conceptos y procesos físicos centrales para la enseñanza de la física señalados en los NAP y al mismo tiempo otorga sentido a las diferentes secuencias, pasando de la producción de energía radiante a la transmisión de energía por radiación, sus transformaciones, su conservación, las interacciones a lo largo de su camino y su captura y diversidad de interacciones al llegar a nuestro planeta.

Tal propuesta nos permite abrir diferentes líneas laterales de profundización sin perder el marco global e integrador para la comprensión de los procesos estudiados.

Por este motivo la propuesta "del sol a los alimentos" puede entenderse como un modo de otorgar sentido a las secuencias didácticas y actividades del aula a lo largo del año escolar.

Para ello, se ponen a disposición dos posibles recorridos de enseñanza que promueven el abordaje de los núcleos de aprendizaje prioritarios señalados para la física, tal como lo describimos más abajo.

Cada recorrido cuenta con diferentes situaciones que, a su vez, pueden contemplar distintas actividades. Los recorridos contemplan situaciónes. Las situaciones incluyen actividades. Y todas las secuencias de actividades cobran un sentido integrado a la luz de la propuesta que lleva la energía del sol a los alimentos.

En cuanto al modo en que esta propuesta otorga articulación a los contenidos señalados en los diferentes NAP de física, podemos destacar que:

En el primer NAP, se indica "la importancia del análisis y la comprensión de los fenómenos físicos que tienen lugar en la obtención de energía de distintas fuentes actuales y futuras, teniendo en cuenta los recursos involucrados, renovables o no, para comparar sus ventajas y desventajas al integrar una matriz energética del país y la región; así como de los procesos de generación, transporte, almacenamiento, transformación, conservación y degradación de la energía, y de aspectos relacionados con su preservación y consumo, entre otros."

Aquí, el estudio de la producción de energía al interior del Sol y el proceso de absorción por parte de la atmósfera terrestre y el terreno, la interacción entre la radiación y la materia y los modos en que se transforma la energía son cruciales y pueden abordarse dentro de la propuesta de un modo articulado y con el sentido que le otorga el recorrido.

En el segundo NAP se indica apuntar a "la comprensión de diversos fenómenos naturales –terrestres y celestes– y de aplicaciones tecnológicas –micro y macroscópicas– a partir del análisis y utilización de modelos físicos, diferenciando y articulando las nociones de partícula, onda y campo."

En este caso, el recorrido propuesto revisa los conceptos de onda, partícula y campo. Promueve la comprensión del valor de ciertos desarrollos tecnológicos tomando como caso central el microscopio en sus diferentes variantes. El rol del microscopio como herramienta para la adquisición de datos nos permite promover la integración de saberes referidos al micro cosmos con los de la escala macroscópica. En esa integración de saberes referidos a diferentes escalas, aparecen de manera inevitable los conceptos y modelos de la física moderna, tal como se indica en el tercer NAP.

El tercer NAP apunta al "conocimiento de nociones básicas de teorías como la Mecánica Cuántica o la Relatividad que permiten interpretar algunos fenómenos físicos, para los que explicaciones desde la física newtoniana o el electromagnetismo clásico, por ejemplo, resultan limitadas. Esto supone el análisis de los procesos físicos sobre los que se basa el funcionamiento de dispositivos tecnológicos respaldados en esas teorías. [...]"

De este modo, abordar los diferentes tipos de microscopio, que requiere de una comprensión de los constituyentes de la materia a escalas cada vez más pequeñas, se transforma en un recurso que facilita la introducción de estos nuevos conceptos, en particular los de la mecánica cuántica.

Todo el recorrido propuesto, con sus actividades y situaciones intermedias, contempla lo indicado por el cuarto y último NAP, según el cual se debe promover "el reconocimiento y la valoración de la historicidad de la física (en particular de la evolución de sus teorías y paradigmas) de sus vínculos con otros campos científicos (matemática, computación, etc.) y de las nuevas ciencias a las que su fusión con otras disciplinas dio origen (astrofísica, biofísica, fisicoquímica, geofísica, etc.)."

Vale la pena notar que el abordaje de la producción de energía radiante en el Sol y su propagación hasta nuestro planeta promueve la revisión histórica acerca de nuestro conocimiento de las estrellas y los procesos que tienen lugar ellas. Esta temática se ofrece entonces como un excelente recurso para valorar la historicidad del conocimiento en física a la vez que permite adquirir una visión de la disciplina en combinación con otros saberes, en este caso, la astronomía, la física de partículas y los procesos de nucleosíntesis se constituyen en parte de la astrofísica.

En el otro extremo del recorrido, al atender al proceso de fotosíntesis cuando la energía radiante juega un papel crucial en la síntesis de alimentos, encontramos el momento adecuado para resaltar la articulación entre la biología y la física en un terreno que pertenece a la biofísica.

El esquema "Del Sol a los alimentos" sugiere que podríamos ubicar los temas de física desde un extremo a otro con un sentido que los articula, justifica el paso de una temática a otra y a la vez facilita la apertura ramificada de profundización en las ramas en las que cada docente crea fructífero proponer para sus diferentes cursos, según el contexto y la motivación de los estudiantes.

Para el abordaje de los temas asociados a los NAP, se sugieren las actividades en dos diferentes recorridos

- Primer recorrido: La energía y sus transformaciones

- Segundo recorrido: La energía solar y los componentes de la materia

Primer recorrido: La energía y sus transformaciones

Vale la pena recordar las recomendaciones para la Organización institucional de la enseñanza (Res CFE 93/09) en la que se señala que (Punto 1.2.17) para atender a la diversidad y variedad presente en el curso, es necesario ofrecer a los estudiantes propuestas de enseñanza que estén organizadas a partir de diferentes intencionalidades pedagógicas y didácticas, que permitan que los alumnos aprendan a partir de múltiples prácticas de producción y apropiación de conocimientos.

A su vez, al considerar las variaciones de las propuestas disciplinares (Punto 1.2.22) se sugiere que: El desarrollo curricular podrá presentar variantes de diferente tipo, incluyendo estrategias de desarrollo mixtas que alternen regularmente el dictado de clases con talleres de producción y/o profundización; o bien el trabajo en aula (algunos días de la semana) con el trabajo en gabinetes de TICs/ Biblioteca/ laboratorio (en otros días).

En virtud de estas sugerencias, este primer recorrido consta de una diversidad de situaciones en las que, a su vez, se enmarcan diferentes tipos de actividades. Esta diversidad apunta a ofrecer un abanico de formas de acceso a la construcción del conocimiento a los estudiantes, con el objetivo de fomentar el desarrollo y la profundización de diferentes habilidades y capacidades según los modos de presentación de la información, los diferentes desafíos para la comprensión y aplicación de los conceptos y procesos en estudio y las diferentes maneras de ser comunicado el conocimiento del que se han apropiado.

El recorrido se propone facilitar la tarea de comprensión y profundización de las nociones previas sobre la energía, como conservación, transformación, etc., comenzando con el estudio de la energía en el mundo cotidiano, lo cual permite conectar la noción de energía con la de potencia y con la noción de consumo de energía.

Dado ese puntapié inicial, se sugiere continuar con el estudio de las formas utilizables de la energía, lo cual daría por resultado esa energía que consumimos en nuestra vida cotidiana al utilizar diferentes artefactos luminosos, electrónicos, electrodomésticos, aire acondicionado, etcétera. Es decir, partiendo de la percepción directa de que hay artefactos que consumen más y otros que consumen menos energía (como diferentes tipos de iluminación), damos un paso hacia la obtención de esa energía que se distribuye en la red domiciliaria y abordamos los tipos de energía que pueden ser aprovechables para volcarlas a la red de consumo.

Este recorrido es propicio para promover el desarrollo y ampliación de ciertas habilidades. En particular, al cabo del trabajo sobre los contenidos de este recorrido los estudiantes podrán:

- Caracterizar la energía por sus propiedades, de acuerdo con las formas en que el estudiante las reconoce coloquial y cotidianamente, pero a la vez correctamente estructuradas.

- Describir distintos procesos de cambio en términos de las energías intercambiadas utilizando el lenguaje coloquial e incorporando paulatinamente términos científicos.

- Reconocer las diferencias que existen a nivel macroscópico entre las diferentes formas de energía que se presentan y cuáles modalidades podrían ser utilizables en el futuro.

- Utilizar la noción de trabajo para evaluar las variaciones de energía de un sistema.

- Identificar las escalas de energía en diferentes procesos naturales.

- Reconocer y utilizar correctamente las unidades de energía en cada uno de estos diferentes niveles.

- Comprender las ideas de sistema, intercambio, evolución, equilibrio y utilizarlas en las descripciones de fenómenos o procesos.

- Reconocer las escalas de energía involucradas en el desarrollo de una sociedad y los costos sociales involucrados.

Para la efectiva implementación de este recorrido, se proponen 6 situaciones:

Situación 1: se propone un primer desafío que muestra los diferentes modos de obtener energía para la red. Allí se promueve que los estudiantes comprendan los distintos modos de obtención de energía y puedan abstraer medidas de comparación. Para responder a la pregunta de cuánto petróleo se utiliza será necesario que los estudiantes encuentren cuánta electricidad puede generarse al utilizar un barril de petróleo. Este dato puede encontrarse en internet: Tonelada equivalente de petróleo

Situación 2: aquí se sugiere relevar ciertos recursos energéticos del país, para asociar la situación anterior con la explotación de recursos naturales que pueden utilizarse para la obtención de energía.

Debe quedar claro que la energía que consumimos en forma de energía eléctrica fue generada en una usina en la que tiene lugar algún proceso de transformación. Uno de estos procesos es la combustión de gas oil o de gas natural. Por lo tanto, la energía química acumulada en los enlaces del gas natural, en el proceso de combustión es liberada y utilizada para hacer girar una turbina que produce electricidad. Esta doble transformación de energía química en movimiento y movimiento en electricidad, puede ser esquematizada brevemente o resumida para pasar al punto central de esta situación que consiste en pensar el transporte del gas desde sus yacimientos hasta los lugares en los que será combustible para obtener electricidad.

Al proponer hacer un tendido de red de gasoductos, pone al estudiante en situación de tomar decisiones, comprender la distribución de energía en función de demandas de consumo y con esto, la noción de energía queda anclada a situaciones reales, política y socialmente relevantes a la vez que comprende la problemática local y nacional.

Con esta situación se produce un segundo paso en el descentramiento del estudiante. No solo la energía es una noción asociada a sus artefactos de iluminación, algo cercano a su entorno personal, sino que es una noción en la que todo el país está involucrado con una red de distribución, contemplando en este panorama al resto de los ciudadanos.

Situación 3: en esta oportunidad se pretende desnaturalizar que el combustible que se esté usando no pueda haber sido otro. En este caso, se pretende movilizar a los estudiantes a imaginar diferentes escenarios de explotación y obtención de energía, que aun cuando no están siendo utilizados en el presente podrían tener justificación a futuro en cada localidad. Esta propuesta vuelve a descentrar al estudiante, esta vez del mundo real al mundo posible.

El pensamiento hipotético es una de las habilidades que la física puede promover, pero esta habilidad no puede ser puesta en actividad como primera instancia. La secuencia de reconocer el consumo de energía real y personal, más tarde reconocer el tendido de provisión de energía y combustibles a lo largo del país son dos escenarios que promueven introducir el desafío de pensar escenarios hipotéticos. De este modo la secuencia de las tres situaciones facilita el estímulo para este tipo de pensamiento.

Situación 4: en esta situación se avanza hacia la interacción de la radiación con los seres vivos. En este caso se apunta hacia la noción de energía radiante que llega al planeta y se compara la noción de calorías provistas por el alimento. Aquí la energía como insumo necesario para conservar la temperatura tiende un puente entre las nociones de energía en física y en biología.

Se incluye una actividad en la que se aborda el contenido energético de los alimentos y el uso de esta energía por parte del organismo humano. Este tipo de actividad también es una oportunidad para comprender las unidades de medida y su relación, estimulando a los estudiantes a lograr un uso paulatinamente más preciso del lenguaje de estas disciplinas.

Situación 5: esta situación consta de varias actividades. La primera indica la lectura de un texto de Jonathan Swift que nos pone en situación de revisar las nociones de proceso reversible e irreversible, asociados a la energía. En la situación literaria del texto, un personaje quiere extraer energía solar de los alimentos. Es decir, la propuesta es aprovechar la energía que ha llegado del sol y se ha almacenado por medio de la fotosíntesis en los vegetales. Esta situación cierra el trayecto desafiando a los estudiantes a comprender que las sucesivas transformaciones de la energía no permiten que todo proceso sea reversible. Aun cuando la noción de energía ha llegado desde la radiación solar a la dieta y el metabolismo a lo largo de las anteriores cuatro situaciones.

Esta situación es a la vez un desafío conceptual y una conexión con la literatura de ficción en la que la comprensión de las ciencias naturales es un condimento indispensable para que el lector pueda apreciar la sutileza de la obra artística.

Apropósito de este relato también se aborda el problema de la naturaleza de la luz en forma de debate en el que se puedan esgrimir argumentos y evidencias para sostener la naturaleza corpuscular o bien ondulatoria, con miras a establecer que la luz tiene naturaleza dual.

El cierre de esta situación consiste en un cuestionario en el que se atiende a los conceptos de onda y partícula (incluyendo una revisión del espectro electromagnético), a los aspectos relativos a la construcción del conocimiento en física y en ciencias naturales y a la concepción de científico o práctica científica que tenemos en nuestras comunidades (cada una de las preguntas es comentada con más detalle al presentar el cuestionario).

Situación 6: esta situación involucra el estudio del microscopio y los contenidos asociados a los procesos que tienen lugar en la amplificación y transducción de la información en los distintos tipos de microscopía.

Como actividad preliminar a abordar esta situación se sugiere presentar un video sobre los rayos luminosos que introduce a los estudiantes en los conceptos y procesos básicos de la óptica incluyendo una dimensión histórica en la construcción de esos saberes. Se incluye una serie de videos sobre la historia de la luz y un simulador de rayos en un juego sencillo.

Otros recursos disponibles para alternar o complementar con los videos sobre la historia de la luz, se refieren al funcionamiento del GPS, el microondas y el televisor LCD. La ventaja de estos otros videos es la actualidad de los temas, mientras que la riqueza de los anteriores es realtar el desarrollo de la ciencia como práctica a lo largo de la historia. Cada docente podrá decidir en que medida utilizará cada uno de los videos como recurso para uno u otro objetivo.

Una vez tratados los videos seleccionados por el docente como disparadores e introducción, la situación continúa con un primer tipo de actividades sugeridas: 1) la construcción de un mural digital con ideas previas, 2) el análisis de un video de manera más pormenorizada en algunos de sus pasajes y 3) una visita al laboratorio en el que se utilice y comprenda el uso de microscopios.

1) El mural digital pone en evidencia los saberes previos y permite a los estudiantes poner en juego y corregir sus saberes entre pares.

2) El análisis del video pretende fijar las nociones más operativas y tecnológicas de la constitución de un microscopio. Constituye una instancia de conocimiento de artefactos, armado, función de cada parte, etcétera, dando a los estudiantes una oportunidad de pensar el armado y variantes de construcción de artefactos tecnológicos.

3) La visita al laboratorio puede ser utilizada para ver muestras de biología, conformación de cristales o simples estructuras no distinguibles a simple vista. Es importante la familiaridad con el uso y la posibilidad de desarrollar destrezas corporales de ajuste del foco, manejo del portaobjetos y todo lo relativo al saber hacer, lo cual se diferencia de saber qué hacer o cómo hacerlo. Estas destrezas suelen estar de modo implícito en la evaluación de los desempeños de los estudiantes. Es recomendable explicitar que los alumnos deben poder tener un manejo adecuado de los instrumentos y de este modo que tales objetivos no queden en un curriculum oculto sino que sean parte de sus metas de aprendizaje.

A continuación sigue un segundo tipo de actividades: 4) investigación bibliográfica y digital sobre dos tipos de microscopio; 5) confección de infografías y 6) búsqueda y aplicación de recursos.

4) La investigación de diferentes tipos de microscopio en el que la amplificación de la imagen presupone un tipo de interacción que va más allá de la marcha de rayos a través de lentes amplía la noción de microscopio más allá de la teoría óptica. Tanto el microscopio de barrido electrónico como el de efecto túnel tienen principios de funcionamiento que involucran más teorías que la óptica. En particular el de efecto túnel presupone comprender algunas nociones básicas pero revolucionarias de la mecánica cuántica. La investigación está guiada por una serie de preguntas que permite que los estudiantes se concentren en ciertos objetivos y así organizar su tarea focalizándose en los principios físicos involucrados y los usos para los cuales es necesario cada tipo de microscopio.

5) La confección de infografías es una actividad que promueve las habilidades comunicativas visuales no textuales. Las imágenes de gráficos, histogramas, diagramas de torta y otros modos de representación, permiten capturar información de un modo diferente al que utilizamos al leer un texto, analizar una tabla o calcular un coeficiente de correlación. Los distintos modos de representación favorecen y obstaculizan la visualización de distintos indicadores o diferente tipo de información. Por este motivo los estudiantes tienen que disponer de una instancia en la cual puedan decidir el mejor modo de presentación para la información referida a ciertos fenómenos. La confección de gráficos para mostrar información relevante es un punto de gran importancia en la comunicación social de la ciencia y la tecnología, con lo cual este tipo de actividades tiene que tener un espacio de aprendizaje para luego constituirse en un lenguaje de fácil manejo para los estudiantes.

6) La búsqueda de recursos