El curso interactivo de Física en Internet La enseñanza tradicional El ordenador en la enseñanza de la Física Bibliografía |
Introducción | |
| Resumen En este artículo se describe un curso de Física a nivel introductorio en Internet, que se pretende usar como medio complementario de enseñanza tanto dentro como fuera del aula. La característica distintiva de este curso es la interactividad que proporcionan los programas de ordenador, denominados applets, codificados en lenguaje Java e insertados en las páginas web. Abstract This article describes an undergraduate Physics course in Internet, that we intend to use as a supplementary means of instruction both inside and outside the classroom. The main characteristic of the course is interactivity, which is provided by the computer programs, called applets, that have been coded in Java language and embedded in the web pages.
1. IntroducciónEl fenómeno explosivo de Internet ha abierto unas expectativas insospechadas para la enseñanza, la posibilidad de la educación a distancia, para lo que se necesita un ordenador con un módem conectado a la línea telefónica. Mediante un programa específico denominado navegador, se puede traer información de todo tipo, almacenada en ordenadores remotos denominados servidores. Esta información habitualmente, contiene texto e imágenes. Mediante los denominados enlaces, se puede saltar de una a otra página, a otro documento contenido el mismo servidor o en servidores remotos. También, se pueden cargar y ejecutar programas denominados applets, escritos en el lenguaje Java[1] similar en su sintaxis al lenguaje C++. El aprovechamiento de las nuevas tecnologías proporcionará grandes beneficios al sistema educativo entre los que cabe destacar los siguientes:
2. Las páginas webPara escribir de un modo efectivo en Internet es necesario conocer las diferencias básicas entre los documentos impresos y los documentos HTML que vemos en la ventana del navegador: La primera diferencia está en los tipos de información que puede incluir una página web: texto en una gran variedad de tipos de letra, tamaños y colores, las figuras, imágenes animadas, sonido, vídeo, formularios, scripts y applets. La incorporación de los elementos multimedia (sonido y vídeo principalmente) está limitada por la velocidad de carga de las páginas web. La segunda, en la forma en la que el usuario percibe la información. Así, la lectura del texto en la pantalla del ordenador produce mayor cansancio que la equivalente en un papel impreso. La densidad de información que percibimos en un área de la ventana es superior a la equivalente en un libro. Por último, las figuras atraen rápidamente la atención del usuario. La tercera diferencia se refiere a la estructura de la información. Mediante el ordenador, podemos diseñar un sistema de modo que se acceda a la información de forma no secuencial, a este sistema se denomina hipertexto. Dicho sistema tiene una estructura jerárquica. En la cúspide está el índice o la lista de contenidos. Entrando por el índice nos podemos mover a través de la jerarquía de la general a lo específico, de arriba hacia abajo. Pero lo que diferencia esencialmente de un libro, es que también nos podemos mover horizontalmente, entre distintas secciones o tópicos.
3. El Curso Interactivo de FísicaEl Curso Interactivo de Física[2] es un proyecto que pretende mejorar la calidad de la enseñanza de la Física con contenidos y enfoques innovadores, y que está dirigido a los estudiantes de los primeros cursos de las Facultades de Ciencias y Escuelas de Ingeniería. Los materiales elaborados se podrán usar como complemento de las clases tradicionales y de las prácticas del laboratorio. El curso interactivo tiene dos componentes básicos:
Se ha diseñado de forma que no sea un mero traslado a Internet de las notas del profesor y los problemas resueltos en clase, ni tampoco una colección de applets aislados, sino que pretende integrar armoniosamente los distintos componentes en una estructura en la que quede resaltada la dimensión interactiva. Así, en los libros de texto, al estudiar una determinada situación física se acompaña habitualmente por una imagen ilustrativa de dicha situación, podemos sustituir en la página web dicha imagen estática por un programa interactivo o applet. Por ejemplo, en la página web dedicada al estudio de las oscilaciones forzadas insertamos un applet, véase la Figura 1, en el que tenemos codificado la solución de la ecuación diferencial que describe el comportamiento del oscilador forzado. Una vez que el estudiante introduce la constante de amortiguamiento, la frecuencia de la oscilación forzada y las condiciones iniciales, se muestra de forma animada el movimiento del oscilador, a la vez que se traza los gráficos de la posición del móvil en función del tiempo, la energía del oscilador en función del tiempo, y la trayectoria del móvil en el espacio de las fases. Se puede distinguir entre estado transitorio y estacionario, y observar la diferencia de fase entre la fuerza oscilante y la velocidad del móvil a fin de reconocer la condición de resonancia. El applet no trata de sustituir, sino de facilitar la comprensión de las experiencias sobre osciladores forzados reales, como el péndulo de Pohl, que puedan llevarse a cabo en el laboratorio o en una demostración de aula.
Figura 1.El oscilador forzado.
3.1. Creación de los appletsDesde el año 1984 se empezaron a usar en la E. U. I. T. I. de Eibar [3] programas de ordenador para la enseñanza de la Física. Eran principalmente, animaciones que se habían creado para clarificar ciertos conceptos que eran difíciles de visualizar usando dibujos estáticos. A lo largo de estos años, se han creado muchos programas para una gran variedad de temas que en general han sido apreciados por los estudiantes y otros profesores de Física. Una parte importante de los applets incluidos en este curso son viejos programas que han sido traducidos al lenguaje Java. Se ha cambiado la interfaz de usuario pero los objetivos educativos siguen siendo los mismos. La creación de un programa interactivo para la enseñanza de la Física es un proceso laborioso que requiere un conocimiento del tema, de los procedimientos numéricos que se van a emplear, y del lenguaje de programación con el que se va a codificar el programa resultante. Además, es necesario realizar muchas tentativas, y tener una amplia experiencia basada en la observación de la interacción estudiante-ordenador. En general, para crear un programa interactivo se han de seguir los siguientes pasos, no necesariamente en orden consecutivo:
4. Los contenidos del cursoHasta el momento de escribir este artículo (junio de 1998) se han desarrollado los siguientes capítulos:
Actualmente, se encuentra en fase de diseño una colección coherente de problemas. Ya que el conocimiento que tienen los estudiantes de la Física se mide mediante exámenes que constan en su mayor parte de problemas, el curso de Física no podía estar completo sin ellos. El estudiante elige un problema y tiene una doble opción: las respuestas a las cuestiones planteadas y la solución completa. Además, se dispone de una ayuda constituida por enlaces a los conceptos o principios usados para resolver el problema.
4.1. EjemplosCada capítulo del curso está dividido en tópicos cada uno de los cuales tiene sus objetivos propios y un diseño diferente. Sin embargo, podemos agruparlos en algunas categorías Enseñanza de conceptos En la seción 3 hemos mencionado una categoría en el que la simulación se muestra como una herramienta didáctica muy importante aún cuando el problema tenga solución analítica. Problemas-juego Algunos tópicos se complementan con los denominados problemas-juego que sirven para hacer una Física más divertida y para estimular al estudiante en la resolución de problemas. Así en "viajes interplanetarios", véase la Figura 2, que forma parte del capítulo dedicado a introducir la dinámica celeste, se tiene que enviar una nave espacial desde la Tierra a Marte y hacerla regresar de nuevo a la Tierra con la ayuda de la intuición y del conocimiento que va adquiriendo el estudiante del sistema físico tras sucesivos intentos. Posteriormente, se le pedirá resolver exactamente el problema aplicando la ecuación de la dinámica del movimiento circular uniforme y la tercera ley de Kepler.
Figura 2. Viaje de ida y vuelta de la Tierra a Marte
Modelos físicos En el applet de la Figura 3, se estudia el comportamiento de una sustancia dieléctrica poniendo una muestra de moléculas polares bajo la influencia de un campo eléctrico. Se examina la dependencia de la polarización de la muestra en función del campo y de la temperatura. Se distingue el comportamiento de una molécula individual del comportamiento del conjunto. Finalmente, se compara los resultados teóricos (ecuación de Langevin) con los obtenidos "experimentando" con la muestra.
Figura 3. Modelo de sustancia dieléctrica
Simulación de experiencias de laboratorio La simulación de experiencias de laboratorio es un buen recurso didáctico cuando son inaccesibles al laboratorio escolar, bien por ser costosas, peligrosas o difíciles de montar. La ventaja de la simulación es que el proceso físico puede visualizarse sin interferencia de los aparatos de medida o del exterior al sistema. En esta categoría entran las simulaciones del espectrómetro de masas, del ciclotrón, el efecto fotoeléctrico, etc. Se han creado varios applets que recrean experiencias de gran trascendencia en la historia de la Física: los experimentos de Thomson y de Millikan, el experimento de Rutherford, las experiencias de Frank-Hertz y de Stern-Gerlach. En otros casos, las simulaciones sirven para preparar experiencias que los estudiantes van a llevar a cabo en el laboratorio. La Figura 4 corresponde a un applet cuyo objetivo es el de mostrar como funciona un ciclotrón. El programa tiene un amplio rango de posibles interacciones. El estudiante tiene que determinar primero, la frecuencia de resonancia del ciclotrón, y luego, explorar la dependencia de la energía final de la partícula en función de la intensidad del campo magnético, y de la diferencia de potencial alterna existente entre las piezas polares. Este programa es muy útil para estudiar el movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico y en un campo magnético.
Figura 4. Encontrando la frecuencia de resonancia del ciclotrón
Temas complemetarios Los libros de texto suelen incluir lecturas adicionales que pueden ser de interés para algunos estudiantes motivados. En el tópico "La Física en el juego del baloncesto[4]" se integra en un ejemplo de la vida diaria distintas situaciones físicas: movimiento curvilíneo bajo aceleración constante, choques, oscilaciones amortiguadas para describir la deformación de un balón (véase la Figura 5), etc. El capítulo dedicado a las oscilaciones se completa con el estudio de un oscilador forzado no lineal [5] en el que se muestra el comportamiento cualitativo de sistemas que evolucionan hacia un régimen caótico.
Figura 5. Deformación del balón cuando choca con una pared rígida
Introdución a la Física Moderna Finalmente, se ha dedicado un capítulo a estudiar aspectos básicos de la Mecánica Cuántica, por que pensamos que los estudiantes deberían introducirse antes en su aprendizaje. Las simulaciones, en un amplio sentido, pueden ayudar a los estudiantes a aproximarse a una gran variedad de fenómenos que para ellos son difíciles de comprender desde el punto de vista analítico. La Figura 6 corresponde a un applet diseñado para que los estudiantes comprendan de forma cualitativa el proceso de formación de bandas de energía a medida que se añaden átomos a una cadena lineal.
Figura 6. Niveles de energía de un sistema de 10 pozos de potencial.
5. ConclusionesEn este artículo se ha descrito las características y el contenido de un curso interactivo de Física en avanzado estado de desarrollo. Con este curso se pretende hacer del ordenador personal parte de la enseñanza de la Física tanto dentro como fuera del aula. Sin embargo, queda todavía mucho trabajo por hacer, entre las tareas a emprender figuran las siguientes:
6.-Referencias[1] García Ripoll. Qué es Java. Revista Española de Física 11, 4 (1997). [2] Los materiales educativos que se describen en este artículo forman parte del proyecto denominado "Física con ordenador", financiado por la CICYT, con el número de referencia DOC96-2537. Se puede acceder a dichos materiales en la dirección www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm [3] Franco A. Física con ordenador (Nivel básico y Avanzado). Servicio Editorial de la UPV/EHU (1991). [4] Savirón J. M. Problemas de Física General en un año olímpico. Editorial Reverté (1984). [5] Tipler. Física. Editorial Reverté (1994). |
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