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ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (3), 393-403 393
DISEÑO Y EVALUACIÓN
DE UNA PROPUESTA PARA LA ENSEÑANZA
DEL CONCEPTO DE CAMPO EN FÍSICA
MARTÍN, JOSÉ^1 y SOLBES, JORDI^2 (^1) Centro de Profesores y Recursos. C/ Poeta Ramón de Garciasol s/n. 19004 Guadalajara (^2) IES José Rodrigo Botet. C/ Stos. Justo y Pastor, 70. 46949 Manises
jordi.solbes@uv.es
SUMMARY
The concept of field presents a special relevance in Physics. However, its teaching offers a series of difficulties and deficiencies that have been analysed by us in previous investigations. According to our analysis and research by other authors, we have elaborated a new proposal for the introduction of this concept in Secondary Education and High School. In this study, the guidelines of the forementioned proposal, which has been put into practice in the classroom and assessed later on, are presented. The results have been analysed through different instrumental means, and have been compared with the results obtained by students who follow the statutory programmes.
INTRODUCCIÓN
La importancia del concepto de campo (en particular campo de fuerzas ) tanto desde un punto de vista cientí- fico como técnico es indiscutible. Para la física, su introducción supuso poner en duda y superar el marco teórico mecanicista, como dice García Doncel (1994), «sin esta idea básica de campo, la evolución posterior de la física relativista y cuántica resulta inconcebible. El impacto que el descubrimiento de las ondas electromag- néticas ha tenido sobre la física es muy profundo. Ellas le han impuesto una segunda revolución conceptual», mientras que, desde un punto de vista técnico, el naci- miento de la electrotecnia, la transmisión de señales y la revolución en las comunicaciones nos han llevado a la nueva era de la información.
Por ello se hace necesario incluir en los programas de física de secundaria y bachillerato el concepto de campo
a pesar de que ello siempre ha resultado difícil, tanto para profesores como para alumnos. Aparecen compli- caciones que se deben a varias razones y entre las que destacamos:
a) la dificultad que encontramos para realizar una intro- ducción cualitativa del campo, dado el nivel de abstrac- ción de los conceptos implicados;
b) que no los podemos relacionar fácilmente con la experiencia cotidiana de los alumnos, como puede ocu- rrir con los conceptos de mecánica;
c) y sobre todo que durante el proceso de enseñanza se olvida, frecuentemente, que las interacciones entre par- tículas pueden describirse de diversas formas (fuerzas, campos, energías, etc.), y podemos desorientar a los
alumnos si no se clarifican suficientemente los concep- tos, estableciendo sus relaciones, sus diferencias y ám- bitos de aplicación. (Solbes y Martín, 1991; Martín y Solbes,1999; Martín Quero, J., 1999).
En efecto, la mayor parte de las situaciones estudiadas en secundaria y bachillerato corresponden a casos estáti- cos, por lo que en el aula se mezclan la teoría newtoniana –que interpreta las interacciones entre cargas o masas mediante fuerzas a distancia e instantáneas– y la teoría de campos –que las interpreta como interacciones loca- les con el campo existente previamente en el punto donde se colocará dicha carga o masa. Todo ello se hace sin mostrar las limitaciones de la primera, especialmente en aquellos casos en que los campos dependen del tiempo, y sin las ventajas de la segunda, al permitir comprender estas situaciones, integrar dominios de la física que inicialmente estaban desconectados como la óptica y el electromagnetismo, etc.
¿Cómo introducimos, por tanto, el concepto de campo? Dos visiones parecen predominar:
Como un procedimiento heurístico para calcular la fuerza de interacción; es decir, un modelo útil, un proce- so intelectual, matemático, que facilita los cálculos.
Como una realidad física cuya existencia es esencial para explicar muchas situaciones y procesos en los que están presentes.
La primera de estas visiones parece la predominante si se restringe el uso de campos a fenómenos estáticos. Enton- ces, las cuatro ecuaciones de Maxwell se escinden en dos grupos de dos ecuaciones, uno para la electrostática y otro para la magnetostática. Como señala Sharma (1987), «en estas situaciones, la energía almacenada en los campos es la misma que la energía potencial de las configuraciones de cargas o de corrientes, y el momento lineal y angular va asociado sólo a los campos que se propagan».
Sin embargo, el significado físico de los campos aparece mucho más claramente cuando hablamos de ondas elec- tromagnéticas; entonces, «B y E parecen cobrar vida cuando se ve que pueden propagarse en el vacío» como se dice en la unidad 8 del Nuffield Advanced Physics. Además, vuelve a señalar Sharma (1987), «la velocidad finita de la propagación de las señales electromagnéti- cas, la acción retardada, necesita campos para llevar energía, momento lineal y angular». Poon (1986) añade, «en la inducción EM la transferencia de energía a través de distancias macroscópicas está muy claramente rela- cionada con la acción de campos variables en el tiempo». Por ello, ¿por qué establecer una dicotomía entre situa- ciones estáticas o no? Consideremos desde un principio que los campos son «reales», tan reales como una partí- cula material. Como señalan diversos autores (Feynman [1972] y Tipler [1992]) y resume muy bien Pomer (1994): «El campo que en principio se introduce como una magnitud accesoria para describir la interacción llega a considerarse una entidad tan real como las fuen- tes que lo crean, realidad que resulta más evidente cuando las fuentes dependen del tiempo, ya que, enton-
ces, el campo transporta energía y momentos, lineal y angular, como las partículas materiales.»
CÓMO SE ENSEÑA Y CÓMO SE APRENDE
EL CONCEPTO DE CAMPO
Las dificultades señaladas anteriormente han sido con- trastadas de un modo experimental (Solbes y Martín, 1991; Martín y Solbes, 1999; Martín Quero, 1999) me- diante la utilización de varios cuestionarios (aplicados a textos, profesores y alumnos) y la realización de entre- vistas a alumnos. Con ellos pretendíamos responder a las siguientes cuestiones:
- ¿Cómo se introduce, habitualmente, el concepto de campo en el aula, tanto desde un punto de vista científico como didáctico?
- ¿Cómo se aprende, por parte del alumno, dicho concepto?
El primero de los cuestionarios utilizados está dirigido, fundamentalmente, a analizar la forma en que los libros de texto empleados en el aula de física y química intro- ducen el concepto de campo. Se aplicó a 39 textos de los diversos niveles que conforman el sistema educativo español, desde el último ciclo de EGB hasta COU y algunos del actual bachillerato.
Por otro lado, un segundo cuestionario fue usado con un total de 280 alumnos, divididos en dos muestras, una primera de 135 alumnos (Nivel I) que habían cursado estudios hasta 2º de BUP (hasta 16 años de edad), y otra segunda de 145 alumnos (Nivel II) de 3º de BUP, COU y 2º curso de escuela universitaria de formación del profesorado de EGB (de 17 a 20 años de edad).
Respecto a los profesores, se aplicaron los cuestionarios a diversas muestras, tanto de profesores en activo como a licenciados que seguían un curso de formación inicial (CAP).
A partir de los resultados obtenidos mediante los instru- mentos señalados podemos afirmar lo siguiente:
- La imagen que el alumno adquiere del campo está lejos de la concepción científica. Lo considera como una región del espacio o volumen que delimita la influencia de una masa, carga o imán. Para él, el campo está vacío de significado, al contrario que los conceptos de masa, carga, fuerza ... y, por tanto, es innecesario, redundante y complicado. El alumno sigue pensando en términos de fuerza y no modifica sus ideas previas sobre la interac- ción entre partículas, lo que hará que mantenga los errores que pueda tener inicialmente.
Así, la mayoría de los textos definen el campo utilizando frases como:
«Campo de fuerzas es la región del espacio donde se pueden detectar fuerzas creadas por una carga, masa o imán.»
Estos resultados han sido atribuidos por nosotros a varias razones, pero fundamentalmente a la metodología utilizada en el proceso de enseñanza que, como ha puesto de manifiesto la investigación didáctica, olvida la estructura conceptual del alumno, sus ideas previas, sus concepciones, a partir de las cuales se abordan las nuevas preguntas, se interpretan las situaciones, se re- suelven problemas y se elaboran explicaciones o se hacen previsiones (Gil et al., 1991, 1999). El profesor se conforma con definiciones operacionales y tanto él como los libros de texto ordenan los contenidos sin tener en cuenta la forma en que se generan las teorías científicas, en concreto la teoría de campos (Berkson, 1985; Cantor, Goodin y James, 1994), y olvidan los métodos propios del quehacer científico, el papel de las hipótesis, las ideas filosóficas de los científicos, etc., (Gil, 1983; Gil et al., 1991, 1999; Solbes y Traver, 1996; Bagno y Eylon, 1997).
Será lógico pensar, entonces, que modificando la forma de presentar la teoría de campos, de forma que se tengan en cuenta tanto en los contenidos como en la metodolo- gía, las aportaciones realizadas por la epistemología y la didáctica de la ciencia, podamos obtener mejores resul- tados en cuanto a la superación de las dificultades seña- ladas. Si organizamos los contenidos de modo que, además de presentar los conceptos en su forma final, se pongan también de manifiesto los problemas que propi- ciaron su aparición, su evolución histórica y la potencia- lidad del nuevo marco conceptual establecido, se facili- tará el aprendizaje significativo.
UNA PROPUESTA ALTERNATIVA PARA LA
ENSEÑANZA DEL CONCEPTO DE CAMPO :
RASGOS PRINCIPALES
Con la orientación señalada anteriormente, se diseñó una propuesta de enseñanza-aprendizaje dentro del mar- co establecido para la enseñanza de la física en secunda- ria y bachillerato, lo que condicionó, sobre todo en el caso de los alumnos de cursos superiores, el tiempo de instrucción y los objetivos finales a conseguir, dada la existencia de la prueba de acceso a la universidad.
Por otra parte, esta propuesta se enmarca en un modelo de enseñanza-aprendizaje basado en ideas constructivis- tas, que prima aspectos propios de la actividad científica (formulación y resolución de problemas abiertos, emi- sión y contrastación de hipótesis...), que concibe el aprendizaje como una construcción de conocimientos por parte del alumno con las características de una investigación dirigida por un experto, el profesor, confi- gurando lo que se ha denominado una metodología de aprendizaje por investigación dirigida y que se concreta en la propuesta de programas de actividades (Gil et al., 1991, 1999).
Se han tenido en cuenta, además, los resultados obteni- dos en la investigación didáctica sobre aspectos como la resolución de problemas, los trabajos prácticos, la eva- luación de conocimientos, las interacciones ciencia-
técnica-sociedad... y particularmente, los trabajos de otros autores, como Watts (1982), que consiguió enmar- car las ideas de los estudiantes sobre la interacción gravitatoria en ocho esquemas, en los que éstos ponen de manifiesto, por ejemplo, la necesidad de que exista un medio material que propague la interacción; o bien los trabajos de Domínguez y Moreira (1988), Nardi y Car- valho (1990), Furió y Guisasola (1993), Galili (1993), Nardi (1994), Meneses y Caballero (1995), Bar, Zinn y Rubin (1997), Sneider y Ohadi (1998); en relación con la problemática de las ideas previas del alumno sobre la interacción electromagnética y gravitatoria. También se han analizado las propuestas de secuencias de enseñanza efectuadas por Cudmani y Fontdevilla (1989), Nardi y Carvalho, (1990), Meneses y Caballero, (1995), y se ha considerado especialmente la crítica que Galili (1995) realiza acerca del elevado peso de la mecánica newtonia- na en los programas de física de los diversos niveles educativos, considerando que muchas de las respuestas erróneas de los alumnos a cuestiones de electromagne- tismo se deben al intento de aplicar los conocimientos adquiridos en mecánica a este tipo de fenómenos.
Se han diseñado dos programas de actividades, uno para un nivel elemental (4º de ESO) y otro para un nivel superior (bachillerato), que por el carácter parcialmente cíclico del currículo contienen algunas actividades idénticas, aunque evidentemente presentan diferencias de tratamiento. El conjunto de actividades, que el alumno debe desarrollar secuencialmente, va acompañado de comentarios en los que se explica al profesor el objetivo y las dificultades que cada una de ellas presenta, las contestaciones más habitua- les de los alumnos y la información que se puede añadir en las recapitulaciones que realiza el profesor (Solbes y Tarín, 1996; Martín Quero, 1999).
Las líneas básicas que orientan estos programas de actividades son:
a) Introducción temprana del concepto de campo, reali- zación de discusiones cualitativas en contextos físicos simples e introducción de las relaciones ciencia-técnica- sociedad.
b) Presentación del campo como agente de la interac- ción, dotado de realidad física, de energía y de momento, con existencia propia independiente de la fuerza, de forma que el alumno comprenda su necesidad, lo que nos lleva a no establecer dicotomía entre situaciones estáti- cas y cronodependientes y a prevenir la asociación entre energía y partícula mediante la clarificación de los as- pectos energéticos en aquellas situaciones en las que interviene el campo.
En ambos programas hemos optado, de acuerdo con Galili (1995), por aproximarnos al campo a través del estudio de la interacción gravitatoria, ya que sobre este tema el alumno posee una mayor experiencia personal. La atracción gravitatoria es algo con lo que el alumno convive, conoce sus efectos y presenta ya ideas previas para interpretar la caída de los cuerpos, el movimiento de los satélites y los planetas... Se encuentra inmerso en una sociedad en la que las noticias de tipo «espacial»
aparecen frecuentemente en la prensa y la televisión, creando una problemática de interés para él. La interac- ción entre cargas eléctricas queda más alejada de su experiencia cotidiana y por ello creemos que, una vez introducido el campo en temas de gravitación, será más fácil generalizar a otras situaciones análogas.
En el primer nivel o nivel elemental, el programa de actividades, titulado «Astronomía y gravitación», persi- gue, como objetivo fundamental, que el alumno llegue a utilizar el concepto de campo de una forma cualitativa para explicar las interacciones, de manera que asuma el hecho de que una partícula no puede actuar a distancia, es decir, allí donde no está, y que la interacción se realiza entre el campo y la partícula que penetra en él y no entre ambas partículas. También se introducen algunas aplica- ciones tecnológicas (satélites) y aspectos sociales de interés (el impacto del modelo heliocéntrico). Su hilo conductor es el siguiente (Martín, 1999):
- Antecedentes: Primeras ideas sobre el Universo
- El sistema geocéntrico
- El sistema heliocéntrico
- Ley de la gravitación universal.
- El campo gravitatorio
- Consecuencias de la ley de gravitación. Imagen actual del Universo
- El lanzamiento de satélites artificiales.
En el segundo nivel o nivel superior, se profundiza en el tratamiento cuantitativo de la interacción gravitatoria y se estudian ahora las interacciones eléctrica y magnética con la finalidad de llegar a mostrar como, a través del concepto de campo , podemos explicar fenómenos en los que el campo varía con el tiempo, como la inducción y las ondas electromagnéticas, y se introducen los aspec- tos energéticos ligados a la interacción. Para este progra- ma hemos seguido un enfoque más histórico, de modo que el alumno conozca los problemas que planteaba la interpretación mecanicista y comprenda la necesidad de introducir el campo, no sólo para evitar estos problemas, sino también para abrir nuevas vías de investigación que permitan el desarrollo posterior de la física y la tecnolo- gía. El hilo conductor del tema «Interacción gravitato- ria» es (Solbes y Tarín, 1996; Martín, 1999):
- Los orígenes de la teoría de la gravitación
- La conservación del momento angular
- Ley de Newton de la gravitación universal
- Campo gravitatorio
- Estudio energético de la interacción gravitatoria
- Movimiento de planetas y satélites
- La síntesis newtoniana y su extensión al Universo.
Y el del tema «Interacción electromagnética»:
1.Electricidad 1.1. Campo eléctrico 1.2. Fuerzas entre campos eléctricos y cargas 1.3. Estudio energético de la interacción eléctrica
- Magnetismo 2.1. Relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos 2.2. Campo magnético
2.3. Fuerzas entre campos magnéticos y cargas móviles 2.4. Explicación cualitativa del magnetismo natural
- Electromagnetismo 3.1. Inducción electromagnética 3.2. Síntesis electromagnética de Maxwell.
Ciertas actividades utilizadas en el programa están diri- gidas a resaltar algunas de las dificultades de la teoría newtoniana para explicar la interacción entre cuerpos distantes:
Actividad. La idea newtoniana de acción a distancia entre los cuerpos presenta una serie de dificultades que no pasaron desapercibidas al propio Newton. Indica alguno de dichos problemas.
Actividad. La experiencia de Oersted pone de manifiesto que las fuerzas entre una corriente y una aguja magné- tica no van dirigidas según la línea de unión entre ambos cuerpos. ¿Implica esto alguna ruptura con la imagen newtoniana de las acciones a distancia?
Comentario: La primera actividad se utiliza en los nive- les elemental y superior. Los alumnos deben darse cuen- ta de los dos problemas básicos del modelo newtoniano de fuerzas: las interacciones son a distancia e instantá- neas. Del primero de ellos ya era consciente el propio Newton, como pueden leer los alumnos en el texto que el propio Newton llegó a escribir (Holton, 1976): «Es inconcebible que la materia bruta, inanimada, sin la mediación de algo más que no sea material influya y afecte a otra materia sin contacto mutuo [...] Una grave- dad [...] tal que cualquier cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia, a través del vacío, sin la mediación de algo más, a través de lo cual pueda actuar la acción y la fuerza, es para mí un absurdo tan grande que no creo que exista un hombre que con facultad de pensamiento sobre mate- rias filosóficas pueda creer en ello. La gravedad debe estar causada por un agente que actúa constantemente según ciertas leyes.» Esto aclara la búsqueda de teorías como los torbellinos de Descartes o que Newton defen- diese en su «óptica» la idea de un agente material (éter) que explicase la aparente acción a distancia. El segundo problema está implícito en el primero, pero en aquella época no se planteó porque no se conocía la existencia de una velocidad límite.
La segunda sólo se plantea en el nivel superior. El hecho de que nos encontremos ante fuerzas que no son centra- les debe conducirnos a cuestionar el modelo newtoniano de acciones centrales que se deriva de la ley de gravita- ción universal y de la ley de Coulomb. Posteriormente esto permite comprender la imposibilidad de introducir la energía potencial magnética. Por otra parte, la visua- lización de las líneas de campo magnético (mediante limaduras, pequeños imanes, etc.) facilita poner en cues- tión la acción a distancia.
Otras actividades se dirigen a la búsqueda de posibles alternativas:
Actividad. ¿Cómo tendrá lugar la interacción entre dos masas distantes entre sí?
por Amante (1991), consistente en colocar sobre una lámina de cinc otra de azufre, que al frotarse en la oscuridad queda cargada. Se ilumina ahora aquello que queremos reproducir y se proyecta sobre el azufre de la lámina. Sobre éste se deposita, entonces, una capa de polvo negro, se coloca ahora sobre él un papel con cera y se calienta. El polvo negro se traslada al papel encera- do quedando fijado y reproduciendo las imágenes.
EVALUACIÓN DE LA PROPUESTA. MÉTO-
DO, MUESTRAS Y RESULTADOS
Para evaluar la idoneidad de nuestra propuesta de ense- ñanza- aprendizaje, se han aplicado los materiales elabo- rados por:
- Los autores de este estudio, que los han utilizado con sus propios alumnos, conformando sendas muestras de 51 alumnos de COU y 48 alumnos de 2º de BUP.
- Otros profesores pertenecientes a diferentes localida- des, que los han usado con sus respectivos grupos, abarcando un total de 65 alumnos de COU.
Con ello se pretende reducir, dentro de lo posible, la influencia de factores de carácter ocasional, tales como diferencias en la procedencia social del alumnado, capa- cidades debidas a su instrucción anterior, personalidad e interés del profesor, etc. Aunque alguno de los profeso- res obtuvo peores resultados en algún ítem en particular, globalmente no hubo diferencias significativas que acon- sejaran un tratamiento estadístico diferenciado entre ambas muestras.
En la clase, los alumnos han trabajado organizados en pequeños grupos. Resuelven en primer lugar las activi- dades de una forma individual; a continuación, discuten las aportaciones de los restantes miembros del grupo; por último, se hace una puesta en común en la que se incorporan las reflexiones del resto de los grupos. Otras veces se ha trabajado individualmente y en ocasiones la resolución de la actividad ha sido planteada como traba- jo en gran grupo.
Con el objetivo de confirmar que los alumnos han alcan- zado una comprensión más correcta y duradera de lo que es el campo, de su necesidad y sus implicaciones, se ha pedido a las dos muestras que, después de utilizar los materiales didácticos diseñados (grupos experimenta- les), respondan al mismo cuestionario empleado inicial- mente para demostrar la falta de aprendizaje significati- vo de los alumnos que siguieron el tratamiento habitual (grupos de control), comparándose a continuación las respuestas obtenidas. De dicha comparación puede de- ducirse que:
1) Los alumnos del grupo experimental adquieren una imagen del campo más cercana a la concepción cientí- fica de éste y asumen que la interacción entre partículas separadas se produce a través de los campos.
Ya hemos señalado que tanto los alumnos del nivel elemental como del superior presentaban dificultades para comprender el concepto de campo. Éste aparecía para ellos vacío de significado, reduciéndose, en mu- chos casos, a un volumen que rodea a la partícula, sin intervenir en la interacción. En general, los alumnos no asumían que la interacción entre partículas separadas se efectuase mediante campos y seguían razonando en términos de fuerzas entre las propias partículas y por tanto «a distancia».
Ahora, sin embargo, al comparar las respuestas dadas a algunos de los ítems del cuestionario utilizado (Tabla I), encontramos una mejora muy significativa en los porcentajes de respuestas correctas que obtienen los alumnos de los grupos experimentales, los niveles elemental (I) y superior (II).
Los alumnos de los grupos experimentales contestan ahora al ítem 1, en el cual les preguntamos cómo tendrá lugar la interacción entre cuerpos separados por grandes distancias, que «los cuerpos interactúan con los campos de los otros cuerpos», lo que nosotros interpretamos como un reconocimiento de que es el campo, y no la partícula que lo crea, el que ejerce la fuerza sobre otra partícula que penetra en él. El porcentaje de respuestas correctas se ha duplicado en ambos niveles, lo que consideramos muy positivo. De la misma forma, un 47% de los alumnos (nivel II) considera ahora la interacción como local (ítem 7) y no a distancia.
De la misma manera y en concordancia con el ítem anterior, la respuesta que se da ahora al ítem 2 («el campo es la región del espacio donde las cargas, masas [...] se ven sometidas a una fuerza») muestra un incremento en el porcentaje de respuestas correc- tas, sube al 75%. El campo ya no se ve como una región del espacio simplemente, sino que parece in- tervenir en la aparición de la fuerza, tal como indican las siguientes respuestas:
a) la interacción se produce con el campo en el que está;
b) los cuerpos interactúan con los campos de los otros cuerpos.
- Los alumnos del grupo experimental conocen las diferencias entre la interpretación newtoniana de la interacción mediante fuerzas y la interpretación de ésta mediante campos, y se percatan de la necesidad de introducir dicho concepto.
La mayor parte de los alumnos consideraba que el campo no existía hasta que no había dos partículas presentes, en cuyo caso aparecía la fuerza, y, cuando se les pedía que dibujasen el vector intensidad de campo (ítem 5) en el caso de que sólo hubiese una partícula, contestaban que no había campo, o no dibujaban E (lo mismo para B ). E incluso, cuando había dos partículas, llegaban a dibu- jar el vector fuerza en lugar del vector intensidad de campo en la mayoría de las ocasiones. Tampoco recono- cían que mediante el campo, la interacción deja de ser «a distancia» para convertirse en local.
Tabla II Necesidad de introducir el concepto de campo.
Ítem Nivel I Nivel II
Control Exp. Control Exp. N = 135 N = 48 N = 145 N = 116
- ¿Cuántas partículas (masas, cargas) hacen falta para crear un campo (gravitatorio, eléctrico, magnético)? 18,5 70,8 49,0 84,
- Dibuja el vector intensidad de campo creado por una carga 5,1 20,8 8,8 34,
Q = + 2 C en el punto A en los tres casos siguientes: a) En A hay una carga q = + 1 C. b) En A hay una carga q = - 1 C. c) En A no hay nada. a) Q. A. b) Q. A. c) Q. A.
- Tenemos dos cargas separadas una distancia r. — — 45,0 78,
De pronto una de ellas comienza a vibrar. ¿Lo notará la otra carga? ¿Lo hará instantáneamente o tardará algo de tiempo? Justifícalo.
De nuevo vemos en la tabla II un incremento significa- tivo en el porcentaje de respuestas correctas en los grupos experimentales. Así en el ítem 5, el número de alumnos que consideran la existencia del campo y dibu- jan el vector intensidad de campo, independientemente de que en dicho punto haya carga o no, se cuadruplica porcentualmente en ambos niveles. Por tanto, los alum- nos del grupo experimental diferencian mejor entre fuerza y campo, conocen cuándo podemos hablar de la existencia de un campo y cuándo aparece una fuerza (ítem 3 y 5); saben que el campo evita la necesidad de
suponer las interacciones a distancia e instantáneas, convirtiéndolas en locales y proporcionando una veloci- dad de propagación finita a las perturbaciones que el campo pueda sufrir por alteraciones en las fuentes (ítem 12).
3) Los alumnos conocen las ventajas de introducir la noción de campo. Saben que éste dota de fundamento a la óptica al explicar la naturaleza de las ondas electro- magnéticas y además permite el desarrollo posterior de la física y la tecnología.
Tabla III Ventajas de introducir el concepto de campo.
Ítem Nivel I Nivel II
Control Exp. Control Exp. N = 135 N = 48 N = 145 N = 116
- ¿Cómo crees que es posible que la señal de televisión que se 2,2 68,8 32,0 66, emite desde Madrid llegue a tu televisor o que lo que habla un locutor de una emisora de radio llegue a tu receptor?
- ¿Crees que la teoría electromagnética (o en general la — — 11,0 35, teoría de campos) ha introducido cambios de índole práctica en el mundo en que vives? Señala TRES o más consecuencias prácticas y explica cuál es su fundamento o relación con la teoría electromagnética.
- ¿Crees que explicar las interacciones entre partículas mediante campos es mejor que mediante la idea de fuerza a distancia? ¿Qué ventajas introduce? — — 9,0 11,
definiciones operativas y manipulaciones cuantitativas (problemas de cálculo) de los conceptos, sin profundizar en su significado, sin relacionarlos ni diferenciarlos entre sí, etc., presentan una serie de dificultades y con- fusiones, de forma que:
- Adquieren una imagen del campo lejos de la concep- ción científica. Lo confunden con una región o volumen del espacio que delimita la influencia de una carga, masa o imán.
- Siguen pensando en términos de fuerza y no modifican sus ideas previas sobre la interacción entre partículas. El campo no se considera como el agente de la interacción y generalmente se confunde con la fuerza.
- No llegan a conocer las diferencias entre la teoría newtoniana sobre las interacciones entre partículas y la teoría de campos. También desconocen las ventajas que esta última introduce, su mayor potencialidad y su con- tribución al desarrollo de la física.
- No tienen en cuenta el papel desempeñado por el campo en la interpretación de los aspectos energéticos asociados a la interacción entre partículas.
- No llegan a relacionar la teoría de campos con sus múltiples aplicaciones tecnológicas, ni conocen las re- percusiones que ha tenido para la ciencia y la sociedad.
Sin embargo, las aportaciones de la investigación didác- tica en diversos campos acerca de la enseñanza de las ciencias nos permiten diseñar nuevos materiales que, aplicados en el aula, mejoran el aprendizaje del alumno. Dichos programas de actividades incorporan los resulta- dos obtenidos por nosotros en esta investigación sobre la interacción gravitatoria y electromagnética, así como otros obtenidos en los últimos años por diferentes inves- tigadores.
La utilización en el aula de estos programas produce una mejora en el aprendizaje de los conceptos relativos a la teoría de campos y de aquellos otros aspectos que hemos reseñado anteriormente como deficiencias a superar, lo que hemos podido comprobar al aplicar el programa de actividades a sendos grupos de alumnos y comparar las respuestas proporcionadas, a un mismo cuestionario, por estos grupos (experimentales) con otros de los mis- mos niveles educativos (grupos control).
Otro aspecto de especial interés, en el que cabe profun- dizar, es la cuestión del elevado peso de la mecánica newtoniana en los programas de física de todos los niveles de enseñanza. Aunque es evidente que esta teoría
permite al alumno una comprensión bastante buena de su realidad circundante y, por tanto, es necesario su estudio e incluso podríamos decir que imprescindible, debemos preguntarnos si no estará condicionando de una forma negativa la comprensión de otras parcelas de la física y, por tanto, de una parte de la realidad menos tangible pero tan importante como aquélla. El hecho de que futuros profesores contesten incorrectamente cuando se les pide que dibujen el vector intensidad de campo en puntos donde no hay cargas (ítem 5), confundiendo el vector intensidad de campo E con la fuerza F , nos muestra la persistencia de las ideas newtonianas. De igual modo, la forma en que se interpreta el principio de conservación de la energía en los procesos de caída libre, donde el papel del campo se «olvida» y la energía cinética de la partícula se convierte en energía potencial «de la par- tícula», muestra también dicha persistencia. En resu- men, profundizar en el excesivo peso de la mecánica newtoniana en los programas y en cómo introducir los aspectos energéticos cuando hay campos presen- tes son vías de investigación que creemos de la máxi- ma importancia.
Además, las dificultades encontradas, cuando se pide al alumno que responda acerca de las ventajas de la teoría de campos frente a la newtoniana de acciones a distan- cia, muestran que el profesorado no realiza un tratamien- to clarificador sobre aspectos relacionados con la evolu- ción de las teorías, sobre por qué una explicación se prefiere a otra, cómo se abandona una teoría, qué hace falta para que la comunidad científica esté insatisfecha con ésta, etc. Eso hace que la ciencia, y en particular la física, se presente como una sucesión de modelos o teorías que se van encadenando en el tiempo hasta que surge un nuevo «genio» que pueda transformarla. La realización de propuestas didácticas que fomenten no sólo aspectos de la metodología científica, como la emisión y comprobación de hipótesis, el diseño de expe- rimentos, el análisis de resultados, etc., sino estas otras cuestiones de historia de la ciencia nos parece necesaria en la formación del profesorado.
Por último, las valoraciones que el profesorado realiza de la metodología propuesta abren una perspectiva es- peranzadora en la implantación de una estrategia de enseñanza basada en el aprendizaje por investigación, de forma que creemos importante que las actividades de formación continua dirigidas al profesorado incorporen propuestas en este sentido. Sin embargo, no hemos de olvidar que la transformación de los procesos de ense- ñanza y aprendizaje es compleja, requiere tiempo y reformas estructurales que permitan la constitución de grupos de investigación e innovación que eviten el aislamiento del profesorado en sus centros.
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[Artículo recibido en junio de 2000 y aceptado en noviembre de 2000.]
