\"PROPUESTAS PEDAGÓGICAS PARA IMPARTIR FÍSICA CUÁNTICA A NIVEL DE BACHILLERATO\"

1 PROPUESTAS PEDAGÓGICAS PARA IMPARTIR FÍSICA CUÁNTICA A NIVEL DE BACHILLERATO Ángel Rey Gallego “Sociedad, Familia y Educación”. Dpto. „Teoría e Historia de la Educación‟ Máster de Profesorado 2014-15 – Universidad de Valladolid (España) ÍNDICE Introducción: presente y futuro de la didáctica de la Física Cuántica……………………………………………………….…….....………………….1 Una aproximación cuántica…………………………………………………………………………………………………………………...…………………………...2 Cacharreando con la cuántica……………………………………………………………………………………………………………………………....……..…….2 Asumiendo las contradicciones cuánticas………………………………………………………………………………………………………....………….…….3 Conclusiones y metas………………………………………………………………………………………………………………………………………….……….…….4 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………....…………..4

Introducción: presente y futuro de la didáctica de la Física Cuántica La Física Cuántica tiene una importancia creciente en el currículo de las asignaturas de Física y Química de 1º de Bachillerato, de Física de 2º de Bachillerato y de Química de 2º de Bachillerato. Su importancia en la vida cotidiana es muy notable, aunque nos pase desapercibida. La revolución tecnológica de las últimas décadas sería imposible sin la cuántica1, influyendo por ejemplo en la invención del transistor, que sustituyó a las válvulas de vacío, y los semiconductores de que se compone. El mecanismo de los transistores requiere de conocimientos medianamente avanzados de Física y Mecánica Cuántica, por lo que, si los alumnos de bachillerato quieren estar preparados para la vida moderna, deben tener los conceptos básicos de la Física Cuántica completamente automatizados2, además de conocer brevemente la historia para llegar a ella, para lo que podemos usar a Kuhn (1987), un clásico. Esta importancia se ve reflejada en la legislación, como el “Proyecto de real decreto por el que se establece el currículo básico de la Educación Primaria, de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato” (2013) tomando del borrador, el “Anexo I. Materias Troncales” (2013, pp. 251 y ss.), las asignaturas troncales de Física de 2º de Bachillerato, tiene como contenidos en el Bloque 6 “Física del siglo XX”, en el apartado b “Física Cuántica” (además, teniendo también relación con la Física Cuántica, en el apartado c trata la “Física Nuclear” y en el apartado d considera las “Interacciones fundamentales de la naturaleza y partículas fundamentales”). Además, según Moreno y Guarín (2010), introducir estas cuestiones de Física Moderna ayudan a mejorar la misión educativa de construcción de conocimiento novedoso, mientras Otero, Fanaro y Arlego (2009) nos desarrollan y ayudan a centrar las nociones básicas de la Física Cuántica. Por su parte, Baily y Finkelstein (2014) nos hacen ver de la necesidad de que los estudiantes aprendan las diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica y, utilizando las aportaciones generales de Fernández Uría (1979), vemos una perspectiva global para la Física sobre diferentes metodologías científicas y didácticas y que podemos aplicar al caso concreto de la cuántica3. Retomando la cuestión histórica, leer a Solbes y Sinarcas (2009 y 2010) para enseñar nociones de Física Cuántica nos puede resultar muy ilustrativo y nos demuestra la importancia y utilidad de este proceder para fijar mejor los conceptos. Un ejemplo concreto de uso de la historia de la Física Cuántica que puede contribuir a personalizar y poner caras y protagonistas a una materia tan áspera como puede ser la que nos ocupa es hablar de la famosa Conferencia de Solvay de 1911, que reúne

Consultar el póster “Materiales cuánticos. Los nuevos estados de la materia”. Resulta muy útil usar Lahera Claramonte (1995). 3 En “La web de Física” se pueden encontrar muchos y variados recursos (solucionarios, prácticas de laboratorio, etc.), entre los que se encuentra un hilarante artículo sobre “La Física de Óliver y Benji” con aplicación de ecuaciones físicas que demuestran a imposibilidad de algunas acciones de esta famosa serie de animación japonesa: http://www.lawebdefisica.com/humor/oliver/ 1 2

2 a los fundadores de la disciplina y tratan diversos temas que nos compilan Pinto Cañón, Martín Sánchez y Martín Sánchez (2011). Los dos principales problemas educativos4 que encontramos al enseñar Física Cuántica es 1a) la dificultad de presentar la materia de una forma atractiva, 1b) al que se le suma el componente antiintuitivo y contradictorio que tiene esta rama de la Física, y 2) la complejidad operativa a la hora de realizar algún tipo de experimento para que lo pudieran comprobar por ellos mismos. Por ello, ayudarnos de herramientas informáticas resulta sumamente útil, como nos indica Sierra Fernández (2005). Eso buscaremos. Una aproximación cuántica En libros como los de Luis de la Peña (2006) o Sánchez del Río (2008) el profesor de bachillerato puede lograr conocimiento suficiente de las asignaturas de Física Cuántica y Mecánica Cuántica (siguiendo el modelo de los “ensembles”, distinto de la interpretación mainstream de Copenhage, en el primero, originalísimo; y convencional en el segundo, pero con variadas presentaciones temáticas). Para tratar de introducir al alumno al “mundo cuántico” y sus paradojas, les proyectaremos el vídeo (ver arriba captura de pantalla del presenta apartado) del experimento de la doble ranura del “Doctor Quantum”, donde se explica de forma muy sencilla las contradicciones de la cuántica, buscando dejarles perplejos pero interesados. Esto es de vital importancia, ya que Ladj, Oldache, Khiari y Belarbi (2010) nos apuntan que es muy necesaria una visión de los aspectos epistemológicos de la Física Cuántica para el mejor desempeño de los alumnos. Cacharreando con la cuántica En la web PhET Interactive Simulations (primera imagen capturada del presente apartado, a continuación) podemos encontrar experimentos programados en JAVA de diferentes ramas de la Física. En esta web hay cuatro experimentos que podemos usar con los alumnos para introducirles en la Física Cuántica: uno sobre ondas de interferencia a nivel cuántico5 (que no repetimos al tratar el vídeo del Doctor Quantum sobre esta misma temática), sobre pozos de potencial6, efecto túnel y paquetes de onda7, y sobre el efecto fotoeléctrico8 (abajo, segunda imagen capturada del presente apartado), que será el ejemplo que podemos visualizar en las imágenes adjuntas9. Resulta sumamente interesante, pues podemos, mediante el uso del ordenador y sólo con el ratón, manipular las condiciones del experimento como si realmente lo estuviéramos utilizando, comprobando los distintos resultados empíricos que daría si lo reprodujéramos en la vida real (aunque ahorrándonos el coste del montaje, aspecto muy útil si nos vamos a dedicar a la docencia en institutos y colegios donde se impone el ahorro y el economizar medios)10. Podemos ver algunos en Çalışkan, Sezgin Selçuk y Erol (2009). Quantum Wave Interference: https://phet.colorado.edu/en/simulation/quantum-wave-interference 6 Quantum Bound States: https://phet.colorado.edu/en/simulation/bound-states 7 Quantum Tunneling and Wave Packets: https://phet.colorado.edu/en/simulation/quantum-tunneling 8 Photoelectric Effect: https://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric 9 Como hemos podido mostrar, hay muchos experimentos reproducibles relacionados con la cuántica, pero existen de todas las áreas de la Física, destacando el entretenidísimo “My Solar System”, sobre planetas y gravitación: https://phet.colorado.edu/sims/my-solar-system/my-solar-system_en.html 10 Por falta de espacio en el presente trabajo nos dejamos sin adjuntar capturas de pantalla de los interesantes recursos Walter Fendt y la Física con ordenador de Ángel Franco García. 4 5

3 A continuación extractamos de la Wikipedia (otro recurso muy bueno para temas científicos, que –pese a la mala fama– es muy notable y precisa, por ello debemos animarles a usarla e incluso a colaborar en ella de forma activa) las leyes que se pueden observar al manipular los diferentes aspectos de este experimento, de una manera tan fácil como si fuera un juego. Rosado Barbero (1979) nos ha guiado en la didáctica general de la física, y aquí, concretamente, nos ilustra sobre el aprendizaje mediante simulación (p. 385 y ss.) y sus virtudes (como solventar las dificultades de un montaje complejo o peligroso) y sus desventajas (no da cuenta de la problemática de la ciencia real). “Leyes de la emisión fotoeléctrica (leyes a comprobar por el alumno en este recurso web): 1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente. 2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral". 3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente. 4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica: la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.” (Wikipedia)11

Estas leyes (sencillas pero poco evidentes, con lo que se les entrena en el pensamiento no autoevidente y en el contraintuitivo) deben procurar ser deducidas por los propios alumnos, como indica Pérez de Landazábal (1979) que debe ser el “aprendizaje por descubrimiento”. Además, podríamos añadir el uso del experimento casero descrito por Blanco (2011), para el que sólo necesitamos un trozo de un CD a la luz de un fluorescente para comprobar los saltos cuánticos de los electrones del fluorescente. Asumiendo las contradicciones cuánticas La Física Cuántica, como hemos podido constatar hasta ahora, tiene múltiples aspectos contradictorios. Entre los físicos existe el dicho común que afirma que “la Física Cuántica no se entiende, uno se acostumbra a ella”. Nunca se llega a comprenderla ya que los seres humanos tenemos nuestros sentidos en otra escala de magnitudes. Para promover esta aclimatación a las situaciones paradójicas que provoca la Física y la Mecánica Cuántica, existe un juego, localizado gracias a Paleta (2013) basado en Minecraft llamado qCraft, que ha desarrollado Google para ayudar a familiarizarnos con todo esto (del que hacemos una captura de pantalla) y podemos descargar. También existe el juego Mequanics, que nos limitaremos a enunciar en la bibliografía, sin tomar capturas de pantalla. Muchos estudiantes de secundaria están muy familiarizados con Minecraft, debido a la gran popularidad de dicho juego, por lo que es una extraordinaria vía para animarles a entender y aprender la materia jugando.

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Tomado de Wikipedia (“Efecto Fotoeléctrico”): http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico

4 Conclusiones y metas Juegos como los presentados, así como los demás vídeos, recursos, experimentos y aplicaciones web localizadas, ayudan sobremanera a los alumnos a eliminar o matizar ideas equívocas y a perder el miedo y la reticencia a la Física y Mecánica Cuántica. Además, con los libros y artículos adjuntados, podemos introducirlos en la historia de esta disciplina o para ahondar en sus sutilezas (también, en caso de estudiantes con Altas Capacidades nos puede ser muy útil para orientarles y dotarles de información en que desarrollen sus aptitudes). Los profesores que impartan estas cuestiones de Física Moderna tienen, con toda la información aportada, fuentes para obtener mejor comprensión de la materia y de claves pedagógicas para impartirla. Aparte, tiene implicaciones en la vida cotidiana que podrían parecer indirectas, pero que acaban resultando de gran trascendencia. La Física Cuántica obliga al alumno a manejar las paradojas y la contradicción, y a descubrir que no todo se resuelve con meras relaciones lineales, sino que a veces, para seguir progresando, se necesita un salto cualitativo en vez de cuantitativo: un cambio de enfoque, o reconocer la existencia de “propiedades emergentes”. Esto, que puede parecer una competencia difusa a adquirir, en realidad tiene mucha aplicación práctica –real, aún indeterminada, pues depende de cada individuo– para desarrollar la creatividad del alumno en todo ámbito de su vida, no sólo la Física, partiendo de lo educativo y llegando a lo personal y laboral. Bibliografía LIBROS: - De la Peña, L. (2006). Introducción a la Mecánica Cuántica. México D.F.: Fondo de Cultura Económica. - Fernández Uría, E. (1979). Estructura y didáctica de las Ciencias. Madrid: Breviarios de Educación. Ministerio de Educación. - Kuhn, T.S. (1987). La teoría del cuerpo negro y la discontinuidad cuántica, 1894-1912. Madrid: Alianza. - Lahera Claramonte, J. (1995). Introducción a la Física Moderna en la Enseñanza Secundaria. Fundamentación y Módulos de aprendizaje. Madrid: Síntesis. - Pérez de Landazábal, M.C. (1979). Aprendizaje por descubrimiento dirigido de la Física. Documentos didácticos 134/2. Salamanca: Instituto de Ciencias de la Educación. Ediciones Universidad de Salamanca. - Rosado Barbero, L. (1979). Didáctica de la Física. Zaragoza: Ed. Luis Vives. - Sánchez del Río, C. (coord.) (2008). Física Cuántica. Madrid: Pirámide. - Sierra Fernández, J.L. (2005). Estudio de la influencia de un entorno de simulación por ordenador en el aprendizaje por investigación de la Física del Bachillerato. Madrid: CIDE – Secretaría General de Educación (Ministerio de Educación y Ciencia). WEBGRAFÍA: - Blanco, JL. (2011). Experimento casero: Verifica la teoría atómica y la mecánica cuántica. Recurso web descrito y localizado en: www.cienciaexplicada.com/2011/06/experimento-casero-verifica-la-teoria.html - Proyecto de real decreto por el que se establece el currículo básico de la Educación Primaria, de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato (2013). Ministerio de Educación. Disponible en: http://www.mecd.gob.es/servicios-al-ciudadano-mecd/participacionpublica/cerrados/2013/curriculo-basico.html - Anexo I. Materias Troncales (2013). Ministerio de Educación. Disponible en: http://www.mecd.gob.es/servicios-al-ciudadanomecd/dms/mecd/servicios-al-ciudadano-mecd/participacion-publica/cerrados/2013/curriculo-basico/troncales.pdf - Wikipedia, recurso en general, y en concreto el artículo acerca sobre el “Efecto Fotoeléctrico”: https://es.wikipedia.org/ - Póster “Materiales cuánticos. Los nuevos estados de la materia”. Instituto de Física Teórica UAM-CSIC. Disponible en: http://projects.ift.uamcsic.es/outreach/images/posters/poster-CM-2014.pdf RECURSOS: - “Doctor Quantum” (vídeo): Experimento de la doble ranura (extraído del documental “¿¡Y tú qué sabes!?” (2004) de William Arntz, Betsy Chasse y Mark Vicente): http://es.wikipedia.org/wiki/%C2%BF%C2%A1Y_t%C3%BA_qu%C3%A9_sabes!%3F Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=DjZjqDKp9EQ - Física con ordenador de Ángel Franco García: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm - “La web de Física”: http://www.lawebdefisica.com/ (donde capturamos el artículo “La Física de Óliver y Benji”) - Mequanics: http://www.qis.ex.nii.ac.jp/mequanics/en/ - PhET Interactive Simulations: https://phet.colorado.edu/ - qCraft: http://qcraft.org/about/ - Walter Fendt: http://www.walter-fendt.de/ph14s/ ARTÍCULOS: - Baily, C. y Finkelstein, N.D. (2014). Teaching Quantum Interpretations: Revisiting the goals and practices of introductory quantum physics courses. Phys. Rev. ST: Phys. Ed. Res. - Focused Collection on Upper-Division PER. Arxiv.org: 1409.8503. Disponible en: http://arxiv.org/abs/1409.8503 http://www.colorado.edu/physics/EducationIssues/baily/papers/Baily_PRST2014A_TQI.pdf http://www.standrews.ac.uk/~crb6/research/papers/Baily_PRST2014A_TQI.pdf - Çalışkan, S., Sezgin Selçuk, G. y Erol, M. (2009). Student Understanding of Some Quantum Physical Concepts. Latin-American Journal of Physics Education, Vol. 3, Nº. 2, 2009. Disponible en: http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3689830 - Ladj, R.; Oldache, M.; Khiari, C.E. y Belarbi, T. (2010). On students’ misunderstanding of the basic concepts of Quantum Mechanics: case of Algerian Universities. Latin-American Journal of Physics Education, Vol. 4, Nº. 2, 2010. Disponible en: http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3696205 - Moreno, H. y Guarín, E.D. (2010). Nociones cuánticas en la escuela secundaria. Un estudio de caso. Latin-American Journal of Physics Education, Vol. 4, Nº. 3, 2010. Disponible en: http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3697858 - Paleta, J. (2013). Google enseña física cuántica a los niños con ayuda de Minecraft. FayerWayer.com Disponible en: http://www.fayerwayer.com/2013/10/google-ensena-fisica-cuantica-a-los-ninos-con-ayuda-de-minecraft/ - Otero, M.R., Fanaro, M.A. y Arlego, M. (2009). Investigación y desarrollo de propuestas didácticas para la enseñanza de la Física en la Escuela Secundaria: Nociones Cuánticas. Revista electrónica de investigación en educación en ciencias. vol.4 no.1 Tandil ene./jul. 2009. Disponible en: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?pid=S1850-66662009000200006&script=sci_arttext - Pinto Cañón, G., Martín Sánchez, M.T. y Martín Sánchez, M. (2011). La Conferencia Solvay de 1911: un hito en el desarrollo de la Física Cuántica. Anales de la Real Sociedad Española de Química 107(3): 266-273, 18 Ref. Disponible en: http://analesdequimica.es/index.php/AnalesQuimica/article/view/244/237 - Solbes, J. y Sinarcas, V. (2009). Utilizando la historia de la ciencia en la enseñanza de los conceptos claves de la física cuántica. Didáctica de las ciencias experimentales y sociales, Nº 23, 2009, págs. 123-151. Disponible en: https://ojs.uv.es/index.php/dces/article/view/2404/1949 - Solbes, J. y Sinarcas, V. (2010). Una propuesta para la enseñanza aprendizaje de la física cuántica basada en la investigación en didáctica de las ciencias. Revista de enseñanza de la física, Vol. 23, Nº. 1-2, 2010, págs.. 57-84. Disponible en: http://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=5&cad=rja&uact=8&ved=0CD0QFjAE&url=http%3A%2F%2Fwww.revistas.u nc.edu.ar%2Findex.php%2FrevistaEF%2Farticle%2Fdownload%2F7995%2F8861&ei=dPu2VLC3NcyAUZSwg7AP&usg=AFQjCNE9d3GVQZJeRCE OqhVMNlEcTPUjkg&sig2=358nUFrzLpe_BtZFIOb9aw&bvm=bv.83640239,d.d24