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Enseñanza problematizada de las propiedades de la materia para futuros
maestros de Educación Primaria
R. Limiñana Morcillo, A. Menargues Marcilla, J. Martínez-Torregrosa, R. Colomer Barberá, L. Osuna García y I. Luján Feliu-Pascual
Departamento de Didáctica General y Didácticas Específicas. Facultad de Educación. Universidad de Alicante.
RESUMEN (ABSTRACT)
Una de las grandes ideas de las ciencias que debería formar parte de la educación de todo ciudadano es que todas
las cosas, aunque estén hechas de materiales muy diferentes o estén en distintos estados (gases, líquidos y
sólidos), están formadas por átomos y moléculas. Sin embargo encontramos dificultades entre los alumnos
universitarios del Grado de Maestro de Primaria para apropiarse de estas ideas. Este hecho no es sorprendente: la
existencia de una estructura interna común a todas las cosas no es evidente. Para la inmensa mayoría de las
personas existe una barrera entre los líquidos y sólidos, por una parte, y los gases, por otra. Un paso necesario
para que se comprenda que todo está formado por átomos y moléculas es asignar propiedades a los gases, tomar
conciencia de su naturaleza “material”, al igual que sólidos y líquidos. La secuencia de actividades que se
presenta en este trabajo tiene como objetivo que los futuros maestros de primaria comprendan cuál es la
estructura de la materia, es decir, cómo están formadas todas las cosas y, de esta manera, contribuyan a “romper”
la barrera entre los sólidos y líquidos, y gases por otro lado en su práctica docente en la escuela.
Palabras clave: enseñanza de las ciencias; indagación; investigación guiada; formación de profesores.
1. INTRODUCCIÓN
Cuando miramos a nuestro alrededor observamos multitud de objetos, cada uno
formado de un material distinto, y algunos muy diferentes entre sí. Por ejemplo, en la
Naturaleza vemos personas, rocas, imanes, árboles, coches, edificios, el mar, el Sol, la Luna,
animales variados, objetos de plástico, de hierro, de aluminio… Pero, ¿puede alguien pensar
que todas estas cosas tengan algo en común?, ¿que existan ideas aplicables a toda la inmensa
variedad que forma la naturaleza?, ¿que pueda explicarse la enorme variedad de propiedades,
organismos, comportamientos, movimientos… a partir de unas pocas hipótesis? Parece claro
que los materiales sólidos y líquidos pueden tener propiedades similares pero, ¿y los gases?,
¿estarán formados de igual manera que los sólidos y líquidos?, ¿presentan las mismas
propiedades que éstos?
El tema que aquí se presenta, “La estructura de todas las cosas” hace referencia a una
de las grandes ideas de la ciencia (Harlen, 2010), que son aquellas que todo ciudadano
alfabetizado científicamente, para su desarrollo como ciudadano, debería conocer y entender
al acabar su enseñanza obligatoria. Por lo tanto, ya desde la etapa infantil, cualquier cosa que
se haga relacionada con la enseñanza de las ciencias, debería estar encaminada a proporcionar
algún conocimiento relacionado con estas ideas, de manera que puedan ser entendidas y
utilizadas de manera funcional en el futuro. En este sentido, queda claro que la enseñanza de
las ciencias en Educación Primaria debe estar enfocada a contribuir al desarrollo de estas
grandes ideas de la ciencia.
Por lo tanto, parece claro entonces que estas ideas deberían ser conocidas por los
profesores de Educación Primaria, con el fin de poder enseñar a los niños los conocimientos
necesarios sobre estos temas, para lo cual deberían poder identificar previamente qué es
importante dentro de esta idea de la ciencia. Además, que los profesores “dominen” estas
ideas les proporciona la confianza necesaria para poder transmitir a los alumnos la pasión por
estos temas, como base para su futuro desarrollo como ciudadanos con competencias
científicas.
Sin embargo esto no siempre es así y muchos profesores de primaria en activo no
poseen estos conocimientos como para poder planificar la enseñanza de las cuestiones
importantes en ciencia. Por lo tanto, la formación universitaria de los futuros maestros de
Educación Primaria debería considerar el proporcionar una formación suficiente como para
que éstos pudieran saber qué es importante para planificar una enseñanza en el futuro con sus
2. DESARROLLO DE LA CUESTIÓN PLANTEADA
La secuencia de enseñanza propuesta tiene como título: “¿Cómo son los materiales
por dentro? (¿cuál es la estructura de todas las cosas?)”. Dentro de la estructura de una
secuencia de enseñanza de las ciencias por indagación (Verdú & Martínez-Torregrosa, 2005),
el índice (plan a seguir para avanzar en la pregunta de interés propuesta) de la secuencia de
enseñanza propuesta es el siguiente:
- Una primera barrera a superar es la que existe entre líquidos y sólidos, por un lado, y los gases por otro lado. Por lo tanto, un primer paso a dar es conocer las propiedades comunes de la materia (peso, masa y volumen), así como alguna propiedad que nos sirva para diferenciar unas sustancias de otras (densidad). A partir de ahí, tendríamos que ver si estas propiedades se aplican tanto a líquidos y a sólidos (que es más evidente), como a los gases.
- Una vez hecho esto, deberemos plantear un primer modelo de cómo están formados los materiales por dentro. Para ello comenzaremos con materiales que tengan un comportamiento (unas propiedades) lo más sencillo posible y trataremos de centrarnos en tratar de explicar lo común; por lo tanto, primero estudiaremos los gases (son todos más parecidos entre sí) y luego los sólidos y líquidos (entre los cuales existe una mayor diversidad y propiedades más distintas).
- 2.1 Identificaremos las propiedades comunes de los gases y buscaremos una estructura que explique dichas propiedades.
- 2.2 Si encontramos un modelo para los gases, intentaremos aplicarlo a los líquidos y sólidos, empezando por ver si podemos explicar propiedades de los líquidos y sólidos que sean parecidas a las de los gases.
La secuencia de actividades propuesta completa se presenta en el Anexo I. Esta
secuencia está basada en un libro de texto de Educación Secundaria (Martínez-Torregrosa et
al., 1997), el cual se encuentra disponible en la siguiente dirección:
http://rua.ua.es/dspace/handle/10045/
3. CONCLUSIONES
El presente trabajo presenta una secuencia sobre es estudio de la materia mediante
indagación dirigida a la formación en ciencias de los estudiantes del Grado de Maestro en
Educación Primaria de la Universidad de Alicante. En esta secuencia se buscan, en primer
lugar, propiedades generales y diferenciadoras de la materia para, posteriormente, buscar un
modelo que nos explica cómo están formadas las cosas por dentro: el modelo cinético
corpuscular. Mediante el desarrollo de esta tema con esta metodología buscamos dos cosas:
primero, que los estudiantes adquieran conocimientos en profundidad sobre un tema de
ciencias y segundo, que se den cuenta de que pueden aprender de verdad, ambas cosas
necesarias para mejorar su actitud y confianza a la hora de enseñar ciencias en el futuro a sus
alumnos.
A falta de obtener datos más detallados que permitan evaluar cuantitativamente los
efectos que tiene el desarrollo de esta secuencia en los conocimientos adquiridos por los
estudiantes de magisterio, hay que destacar los buenos resultados obtenidos en los cursos
académicos 2013/2014 y 2014/2015, tanto en los estudiantes de los grados, tanto en el de
maestro en Educación Primaria como el de maestro en Educación Infantil, con más del 80%
de los estudiantes alcanzando los conocimientos esperados sobre el tema en pruebas objetivas
sobre el tema antes de la realización de los exámenes finales de las asignaturas donde se
imparte esta secuencia.
4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Gil-Pérez, D., & Carrascosa, J. (1994). Bringing pupils' learning closer to a scientific
construction of knowledge: a permanent feature in innovations in science teaching. Science Education , 78(3), 301–315.
Harlen, W. (Ed.) (2010). Principles and big ideas of science education. Hatfield: ASE.
Martínez-Torregrosa, J., Alonso, M., Carbonell, F., Carrascosa, J., Domenech, J. L.,
Domenech, A., Domínguez, A., Osuna, L., & Verdú, R. (1997). La estructura de todas las cosas. Valencia: Aguaclara.
National Research Council. (1996). National Science Education Standards. Washington, DC:
The National Academies Press.
National Research Council. (2012). A framework for k-12 science education: Practices,
crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.
Verdú, R., & Martínez-Torregrosa, J. (2005). La estructura problematizada de los temas y
cursos de Física y Química como instrumento de mejora de su enseñanza y aprendizaje. Valencia: University of Valencia.
Para poder medir el volumen de los líquidos y de los sólidos es necesario tomar una cantidad de dicha magnitud como unidad.
A.3. Define una unidad de volumen y algunos de sus múltiplos o divisores más importantes.
En el Sistema Internacional (S.I.) se ha elegido como unidad de volumen el m^3 , es decir, el espacio que ocupa un cuerpo de forma cúbica (o cubo) de 1 metro de lado. Como esta unidad no es cómoda para expresar el volumen de cuerpos que usamos cotidianamente, se suelen utilizar divisores (dm^3 , cm^3 , mm^3 ). Los instrumentos de medida de volúmenes de líquidos, sin embargo, suelen estar calibrados en litros (l), centilitros (cl) y mililitros (ml). Sus equivalencias son: 1dm^3 = 1 l y, por tanto, 1 cm^3 =1ml.
A.4. Como vemos, todo objeto sólido o líquido tiene volumen “ocupan un espacio”. El volumen parece ser una propiedad general de sólidos y líquidos, pero ¿el volumen de un objeto es siempre el mismo o varía según las condiciones? Propón ejemplos que aclaren la cuestión.
1.2 ¿Qué es el peso? ¿Cómo se mide?
Al principio del tema hemos afirmado que cualquier objeto, sólido o líquido pesa. Parece, pues, que el peso es una propiedad general de los sólidos y los líquidos, que los separa de los gases. Pero si deseamos encontrar propiedades generales a todas las cosas, es necesario detenernos en la naturaleza del peso de los cuerpos: cómo medirlo, asegurarnos de si es una propiedad general o no, si es variable o invariable, etc. Cuanto mayor sea nuestra comprensión del peso de los cuerpos, más fácil será pensar si puede constituir una separación tajante entre sólidos/líquidos y gases.
A.5. ¿De qué piensas que depende el estiramiento de un muelle al colgarle un peso? Trata de pensar también el tipo de dependencia esperada.
El siguiente diseño es un instrumento práctico para medir el peso en el que podemos adoptar el valor del peso de un objeto como unidad y utilizar después dos, tres, cuatro…, objetos iguales entre sí de tal forma que el peso que cuelga del muelle será igual al número de piezas que hayamos colgado (tomando como unidad el peso de una pieza).
A.6. Un grupo de alumnos ha realizado un experimento colgando diferentes pesos en un muelle y ha obtenido los siguientes resultados:
Interpreta los resultados y estudia si guardan algún tipo de relación.
Disponemos ahora de un instrumento que nos permite comparar distintos pesos, es decir, medirlos. Podemos utilizar para profundizar en nuestra comprensión del concepto de peso de los objetos. Con este fin, centraremos nuestra atención en el hecho de que el estiramiento que produce un cuerpo, al ser colgado de un muelle, también puede producirse realizando una fuerza sobre él.
A.7 Imaginar que disponemos de dos muelles iguales como los de la figura. ¿Podríamos saber qué hay detrás del cuadrado?
¿El peso es una propiedad invariable de los objetos? ¿No podría ser que el peso de un cuerpo fuera debido a que la Tierra estira de él hacia abajo, hacia su centro, de modo parecido a como un imán atrae los trozos de hierro? Si comprobáramos que el valor del peso varía con la distancia a la Tierra, reforzaríamos la idea de que el peso de un objeto es la fuerza con que es atraído por la Tierra y no una propiedad del mismo. A medida que nos alejáramos de la Tierra, el estiramiento del muelle sería menor. Por otro lado sabemos que, en la superficie de la Luna, un mismo objeto produciría un estiramiento, en el mismo muelle, menor que el que produciría en la superficie de la Tierra y éste, a su vez, sería menor que el que se produciría en la superficie de Júpiter. El estiramiento no se debe a una propiedad intrínseca del objeto, ya que depende del lugar donde se encuentre. Pero aunque el peso de un cuerpo varía de un lugar a otro, sabemos que hay algo que no cambia esté donde esté.
A.8. Un trozo de un material se coloca en la superficie de la Tierra, de la Luna y de Júpiter. ¿Qué podemos decir de su peso y de la “cantidad de materia” que tiene en cada sitio?
A esa propiedad de un cuerpo que no varía con independencia del lugar donde se encuentre (en la superficie de la Tierra o en el espacio intergaláctico) ni cuando se calienta o se enfría (el volumen sí varía) se le llama masa. Nos indica “la cantidad de materia” que tiene un objeto. Para medirla se ha tomado como unidad la masa de un objeto “patrón” – un cilindro de 10 cm de altura y 10 cm de diámetro, de platino e iridio, que se guarda en condiciones especiales. A la que se le dio el nombre de
P (U.A.) 0 1 2 3 4 5
E (cm) 0 2,4 4,8 7.2 9.6 12
A.11. Analizar en qué medida las propiedades que hemos estudiado en el apartado anterior (volumen, peso, masa) lo son, también, de los gases. Exponed argumentos y ejemplos que apoyen vuestras opiniones.
Es muy probables que conozcas experiencias que muestren que los gases sí ocupan espacio (es decir, tienen volumen), aunque éste todavía puede variar más fácilmente que el de sólidos y líquidos. Cuando cerramos herméticamente la salida de una jeringa y ponemos el émbolo, el aire de su interior tiene un volumen cuyo valor podemos medir. Si presionamos con el émbolo, el volumen de aire que hay en la jeringa disminuirá pero, si no puede salir cada vez tendremos que hacer un fuerza mayor para reducirlo (¡pruébalo!). En cambio, mostrar que los gases pesan no es tan fácil. Es necesario poner a prueba algunas de las razones por las que muchas personas creen que los gases no pesan (y, por tanto no tienen masa). Por ejemplo: que “flotan”, que no caen o que se mueven hacia arriba.
A.12. Una báscula (o un muelle) se encuentra totalmente sumergida dentro del agua. Indica lo que marcará cuando se coloque sobre ella una bolsa de plástico llena de agua.
A.13. Puesto que nos encontramos sumergidos en “un mar de aire”, al colocar una bolsa con aire en una balanza, nos encontramos en la situación anterior. ¿Qué podríamos hacer, entonces, para comprobar si el aire – y cualquier gas- pesa?
Tras realizar la última actividad hemos comprobado que los gases tienen volumen y masa y, por tanto son atraídos por la Tierra, es decir, pesan. Los hechos de que se difundan, ocupando el recipiente en el que se encuentran y de que seamos “buzos en un mar de aire” dificultan que advirtamos su peso. El volumen y la masa son propiedades, pues, de todos los materiales, independientemente de su naturaleza y de que sean sólidos, líquidos o gaseosos.
3. ¿QUÉ PROPIEDADES NOS SIRVEN PARA DIFERENCIAR LOS DISTINTOS MATERIALES?
Las propiedades que hemos visto hasta ahora (volumen, masa y peso), por ser propiedades generales de la materia, no sirven para diferenciar unos materiales de otros. En este sentido, vamos a utilizar las magnitudes generales para concretar una de las propiedades diferenciadoras de los materiales que nos resulta más intuitiva y familiar: la existencia de materiales más o menos “ligeros”.
A.14. Describe el uso de algún material que se utiliza porque “es ligero” y otro porque “es pesado”. ¿Qué pesa más la madera o el hierro?
Basta reflexionar un poco para advertir que cuando, en la vida cotidiana, alguien dice que “el hierro pesa más que el aluminio” se refiere a que un trozo de hierro tiene mayor masa que otro de aluminio del mismo volumen. Es decir, que para comparar la propiedad espontáneamente llamamos “ligereza” o “pesadez” de cuerpos de materiales distintos, hemos de tener en cuenta tanto su masa (o su peso) como su volumen. Vamos a tratar de inventar una magnitud para operativizar esta propiedad.
A.15. Se tienen dos objetos A y B de tamaños distintos y hechos con materiales diferentes ¿Cómo podríamos determinar cuál de los dos materiales es más ligero?
El cociente entre la masa de un objeto y su volumen (m/V) es útil para operativizar la propiedad de los cuerpos que vulgarmente se llama “ligereza” o “pesadez”, y que científicamente se llama densidad.
A.16. ¿Qué crees que pesa más, una persona de 70Kg o el aire que hay en el aula? (la densidad del aire a 20ºC es de 1,20Kg/m^3 ).
Como sabemos, los objetos menos densos que un líquido flotan en él y los más densos se hunden (si están totalmente rodeados de líquido). Algunas personas confunden densidad con viscosidad. El aceite de oliva, por ejemplo, es mucho más viscoso que el agua, pero menos denso: flota en ella.
A.17. Para que un fluido flote sobre otro es necesario que el primero sea menos denso. Sin embargo, los globos aerostáticos utilizan aire y se elevan en él. ¿Cómo es posible?
A.18. Los peces tienen una bolsa llena de gas llamada vejiga natatoria, que les permite ascender o hundirse. Da una posible explicación de este hecho.
A.19. Haz una recapitulación del tema visto hasta aquí, con las ideas más importantes.
Siguiendo con el hilo del tema, ¿qué nuevas preguntas podríamos plantearnos para continuar avanzando hacia una concepción unitaria de la materia?
Una buena pregunta sería la de cómo están formados los materiales para tener las propiedades y el comportamiento que tienen, es decir, ¿cuál es la estructura de los materiales? (¿Cómo son los materiales “por dentro”?). Dado que la materia tiene un comportamiento muy
Las experiencias que acabas de ver muestran el tipo de comportamiento de la materia en estado gaseoso y pueden servir como punto de partida para especular acerca de un posible modelo de los gases que explique su comportamiento.
4.2 Un único modelo que explique distintas propiedades
Una vez que hemos descrito algunas propiedades de la materia en estado gaseoso, estamos en situación de buscar un modelo que sea capaz de explicarlas todas.
A.22. Piensa en qué estructura debe tener un gas para explicar sus propiedades.
A.23. Utiliza el modelo anterior para explicar por qué los gases: a) Se pueden comprimir tanto b) Se pueden mezclar tan fácilmente c) Ejercen fuerza sobre las paredes del recipiente en que se encuentran d) Al calentarlos se dilatan o, si el recipiente que los contiene no puede variar su volumen, aumenta la presión
Como habrás comprobado, el modelo cinético corpuscular permite explicar todas las propiedades señaladas.
A continuación realizaremos dos actividades para afianzar algunos aspectos del modelo cinético corpuscular de los gases.
A.24. Del matraz de la figura, que contiene aire, se extrae parte del contenido con una jeringa. Suponiendo que las partículas se pudieran “ver”, representad cómo se “vería” el aire antes y después de haber extraído parte del mismo. ¿Y si se hubiera extraído todo?
A.25. Si calentamos el matraz de la figura a) ¿Qué crees que le pasará al globo? Explica por qué. ¿Y en el caso de la figura b)?
A.26. Indicar de qué factores dependerá la presión que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente donde se encuentra. Poner ejemplos de la vida diaria en los que se aumente la presión variando alguno de los factores citados. Hemos representado las partículas de gas encerrado en un recipiente, pero muchos fenómenos son debidos a que vivimos inmersos en un mar de aire, lo que significa que en el exterior de los recipientes también existen partículas en movimiento que chocan contra las paredes.
A.27. Teniendo en cuenta el aire que nos rodea, explica los siguientes fenómenos: a) por qué hay que hacer fuerza para despegar una ventosa de la pared. b) por qué se chafa la lata del experimento. c) el funcionamiento de un bebedero de pájaros. d) por qué sube el refresco por una pajita al aspirar.
A.28. Completa la siguiente tabla-resumen sobre el modelo cinético corpuscular de los gases.
Propiedad (descripción macroscópica) Explicación (descripción microscópica)
A.29. Explicad el funcionamiento de una cafetera a partir del modelo corpuscular de la materia.
5. ¿ES EXTENSIBLE EL MODELO A SÓLIDOS Y LÍQUIDOS?
Ya tenemos un modelo que explica el comportamiento de los gases, pero nuestro objetivo inicial era encontrar un modelo para la estructura de los materiales, tanto gaseosos como sólidos o líquidos. Vamos a plantearnos, ahora, si será posible extender el modelo cinético
A.33. Realiza una síntesis del modelo cinético corpuscular de la materia (tanto para gases como para líquidos y sólidos) y una tabla donde se expliquen, a partir del modelo, algunas de las propiedades de líquidos y sólidos.
