#DevicePhysics: Aprendiendo física con viejos y nuevos dispositivos

#DevicePhysics es un proyecto que iremos desarrollando para aportar un granito de arena al amplio mundo de la divulgación y la enseñanza de la ciencia a través de la comprensión de la física de los dispositivos de baja y alta tecnología, desde juguetes y máquinas simples hasta aparatos modernos que involucran electrónica y/o nuevos materiales. Por supuesto que se ha escrito mucho al respecto, desde hace décadas, y se sigue escribiendo y parte de la propuesta consiste, precisamente, en reunir y compartir la literatura sobre este tema. La otra parte de la propuesta, como no puede ser de otra manera, es aportar alguna que otra cosa original o al menos algún enfoque diferente, cosa que ya hemos avanzado desde hace algunos años en notas del blog (aquí), así como en artículos publicados en journals (aquí).


Tal vez uno de los primeros ejemplos históricos (y uno de los más famosos) sobre enseñar y divulgar ciencia recurriendo a la descripción de un dispositivo como caso de estudio, sea la serie de conferencias dictadas por el genial físico inglés Michael Faraday, sobre "La historia química de una vela". El ciclo de seis conferencias sobre ese tema fue dictado en Londres en 1848 y luego reiterado en 1860, en el marco de las célebres Conferencias Navideñas de la Royal Institution. Estas actividades de divulgación habían sido fundadas por el propio Faraday en 1825, con el fin de democratizar (popularizar) el conocimiento científico, promover la observación, estimular la reflexión y despertar la curiosidad, especialmente entre los jóvenes. Su tradición se ha mantenido desde entonces hasta la actualidad como uno de los buques insignia de la divulgación científica británica.

Las conferencias sobre la química y la física de la vela fueron recogidas en un libro publicado en 1861. Más abajo comparto la reedición de 1908 (en inglés), con prefacio del gran fisicoquímico William Crookes.

Primera página de la primera edición de 1861.

Michael Faraday durante una de sus conferencias navideñas en la Royal Institution.



Un marco didáctico muy valioso y relevante sobre el uso de dispositivos modernos en la enseñanza de la física lo ofrecen Gorazd Planinsic y Eugenia Etkina, prestigiosos investigadores en el área de Investigación en Enseñanza de la Física (PER - Physics Education Research).
El artículo, que incluye ejemplos metodológicos es "Framework for using modern devices in introductory physics courses", publicado en octubre de 2019 en European Journal of Physics.

En este trabajo los autores proponen una metodología en tres niveles conceptualmente significativos y de complejidad creciente, para integrar los dispositivos modernos en los cursos de física, sin cambiar sus contenidos:

1º nivel) Usar los dispositivos como caja negra. Por ejemplo, hacer experimentos usando instrumentos de medida (como los sensores de un smartphone) sin necesidad de conocer los detalles de su funcionamiento.

2º nivel) Aprender mediante investigación y razonamiento cómo funcionan los dispositivos, proponiendo diferentes explicaciones y diseñando experimentos para poner esas explicaciones a prueba.

3º nivel) Aprender nuevos temas de física aprovechando el conocimiento adquirido sobre el funcionamiento de los dispositivos.

En el artículo los autores ejemplifican con dos dispositivos: un medidor láser de distancia (MLD) y un LED. En el caso del MLD, el primer nivel consiste obviamente en utilizarlo para realizar experimentos de física que impliquen medir distancias sin necesidad de conocer su funcionamiento. Esto es, el MLD como caja negar. En un segundo nivel los estudiantes pueden aprender por indagación y experimentación sobre su funcionamiento, cómo se mide una distancia mediante tiempo de vuelo. Finalmente en un tercer nivel, conociendo el funcionamiento del MLD, los estudiantes pueden hacer nueva física midiendo, por ejemplo, la velocidad de la luz en diferentes medios. En el caso del LED, un primer nivel podría implicar utilizarlo como fuente de luz con características especiales, casi monocromática, de respuesta rápida, etc. Aquí no importa cómo funciona. El LED se utiliza como una caja negra. En un segundo nivel se puede indagar sobre su funcionamiento, observando que conduce en un sentido, que su curva corriente-voltaje es asimétrica, que el voltaje de operación está relacionado con el color del LED. Ya en un tercer nivel, y teniendo cierto conocimiento de su funcionamiento, el LED puede ser utilizado para abordar nuevos temas de física, como por ejemplo, el fenómeno de la fluorescencia, al observar el comportamiento de determinadas sustancias al ser iluminadas por LED de diferentes colores.

Esta propuesta de Planinsic y Etkina para utilizar dispositivos modernos en la enseñanza de la física se apoya en la más amplia y general metodología ISLE (Investigative Science Learning Environment), desarrollada por Etkina y Van Heuvelen en 2007. ISLE es un sistema que involucra activamente a los estudiantes en un proceso que refleja la metodología de los investigadores científicos. Es un sistema en el que los estudiantes desarrollan habilidades utilizadas por los científicos en su trabajo cuando construyen y aplican el conocimiento, en un ciclo interactivo que implica algunas o todas de las siguientes etapas: observar, encontrar patrones, elaborar explicaciones, razonar y utilizar representaciones múltiples, construir modelos, diseñar experimentos, poner a prueba los modelos y las explicaciones.

El artículo completo es de libre acceso y se puede leer en el siguiente enlace:

Gorazd Planinsic & Eugenia Etkina (2019)
"Framework for using modern devices in introductory physics courses"
European Journal of Physics 40, 065702 (13pp)


Cuadro del artículo de Planinsic y Etkina donde resumen las actividades realizadas con los dos dispositivos mencionados en los tres niveles del sistema.


Foto del 20 de julio de 2019 en la Brigham Young University, con Eugenia Etkina y Gorazd Planinsik, durante el workshop que ofrecieron en el AAPT Summer Meeting 2019 en Provo, UT, "Learn Physics While Practicing Science: Introduction to ISLE".
El libro que están mostrando, altamente recomendable, es College Physics, de Etkina, Planinsic y Van Heuvelen, donde desarrollan un curso completo de física en base a la metodología ISLE.




Apéndice:
Libro completo "The chemical history of a candle", de Michael Faraday.
Edición de 1908 con prefacio de William Crookes.

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Comentarios

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