OTROS TRABAJOS

LA ENSENANZA DE LOS MODELOS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ BELNDEZ, AP PASCUAL, I.(*), Y ROSADO, L.(~) (1) Departamento de Fsica Aplicada (Seccin Alicante), E.U. Politcnica de Alicante (Universidad Politcnica de

Valencia). Alicante. (2) Departamento Interuniversitario de ptica, E.U. de ptica (Universidad de Alicante). Alicante. (3) Facultad de Ciencias y Programa de Formacin del Profesorado, UNED Madrid.

SUMMARY

Contemporary ideas on science learning is useful to avoid the failure of traditional teaching related to preconcepts or conceptual errors in both students and teachers. In this context the student is introduced to the study of light through the knowledge of the different models or theories which explain the phenomena of light. The different teaching levels are born in mind so as to follow a process of both conceptual and methodological change.

1. INTRODUCCI~N Y PLANTEAMIENTO GENERAL

La intencin ltima de la Ciencia consiste en la expli- cacin de los hechos de la Naturaleza. Para ello, la Ciencia se ocupa de observar y recoger los datos que tales hechos proporcionan y de ordenarlos de tal mane- ra que sus compendios ordenados nos permitan cono- cer mejor la Naturaleza. Esta idea de resumir y concen- trar nuestro conocimiento acerca del mundo que nos rodea es lo que nos lleva a la elaboracin de teoras (Morales 1987).

Las teoras se desarrollan en torno a uno o varios conceptos fundamentales. El primer requisito para comprender los fenmenos es, por tanto, introducir los conceptos adecuados. Sin la ayuda de los conceptos vlidos no podemos saber realmente qu ha sido obser- vado. Al intentar analizar nuevos fenmenos siempre es necesario introducir conceptos nuevos que, por lo general, se presentan en forma poco clara y desarrolla- da. Luego son modificados, o abandonados, o sustitui- dos por otros mejores que quedan ms claramente definidos aunque nunca se puede asegurar su perenni- dad (Meheut y Larcher 1987).

En relacin a esta discusin concluimos que la Fsica no es una mera yuxtaposicin de descubrimientos y ob- servaciones experimentales, a la cual se agregue su descripcin matemtica. Es tambin historia de los conceptos (Heisenberg 1979).

Por tanto, la Fsica, al describir mediante modelos la Naturaleza, posee ciertas peculiaridades que influyen decisivamente en los mtodos a seguir en su aprendiza- je. Este debe ser un aprendizaje de conceptos y teoras

fsicas (o sea, de modelos). Adems tiene que contem- plar una evolucin de estos conceptos y teoras, enmar- cndolos en la historia de la Fsica e indicando sus rangos de validez, los fenmenos que son capaces de explicar y, a la vez, haciendo hincapi en el hecho de que las teoras son "representaciones" de la Naturaleza pero no la Naturaleza misma. Es decir, puede concebir- se el aprendizaje de la Fsica como cambio conceptual y metodolgico (Gil y Carrascosa 1985, Furi y Her- nndez 1985), teniendo en cuenta tanto las estructuras conceptuales previas de los alumnos como sus tenden- cias metodolgicas a sacar conclusiones precipitadas a partir de observaciones cualitativas.

La dificultad que encuentran muchas veces los alum- nos al presentrseles las teoras que explican los fen- menos fsicos (en algunas ocasiones radicalmente opuestas a las ya conocidas y asimiladas por los mis- mos), se debe a una falta de capacidad para exponer a los alumnos la idea de "teora fsica". Se entiende por esta expresin un sistema de conceptos, definiciones y leyes que permiten sin contradicciones describir y representar matemticamente un extenso nmero de fenmenos (Scheider 1986). Las teoras fsicas se de- rivan de los hechos empricos mediante la observacin y la experimentacin (Heisenberg 1979, Morales 1987), y una caracterstica importante de stas es su capacidad para explicar y al mismo tiempo predecir. Por tanto, no debe descuidarse en el aprendizaje de la Fsica su componente experimental. En muchas ocasiones, y por la comodidad que ello supone, se hace nfasis en la re- presentacin matemtica de las leyes fsicas (Hickman 1986, Wenhan et al. 1972), olvidando describir los con-

ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1989, 7 (3), 271-275 27 1

OTROS TRABAJOS

ceptos bsicos y las leyes mismas, y viceversa. La Mecnica Newtoniana es en este sentido un prototipo de teora fsica. Otros ejemplos son la Termodinmica, la Mecnica Relativista, la Teora Electromagntica de Maxwell, la Mecnica Cuntica y, en relacin al tema que nos ocupa, las dis~intas teoras sobre la lyz: la Optica Geomtrica, la Optica Ondulatoria y la Optica Cuntica.

Una tarea del profesor es hacer comprender al alumno que las distintas teoras fsicas poseen un campo de aplicacin acotado, cuyas fronteras vienen dadas, en lo esencial, por los conceptos empleados en cada una de ellas. Fuera de este terreno no puede representar la teora los fenmenos naturales, porque,sus conceptos no son capaces de aprenderlos. As, la Optica Geom- trica mediante los conceptos de rayo luminoso e ndice de refraccin explica la reflexin en un espejo o las imgenes formadas por las lentes, pero no es capaz de interpretar los fenmenos de iqterferencia y difraccin de la luz, que necesitan de la Optica Ondulatoria y del concepto de onda para caracterizar la luz, lo que ade- ms la dota de una entidad fsica, frente a la Optica Geomtrica que no es ms que una pura geometra. Por ltimo, el efecto fotoelctrico o el Compton no tienen cabida dentro de un modelo ondulatorio para la luz, y encuentran explicaciones en la Optica Cuntica con el uso del concepto de fotn, concepto que, a su vez, ha pasado por muchas y diversas acepciones.

Finalmente indiquemos que las concepciopes y mode- lizaciones utilizadas en la enseanza de la Optica, tanto en las clases como en los libros de texto (rayo lumino- so, frente de onda, onda electromagntica, energa cuantizada, fotn, etc.), no suelen ser presentadas como modelos, es decir, representaciones constituidas, "cal- culables", ms o menos simplificadas, ni incluso repre- sentaciones, sino como la realidad directamente visi- ble. En estas condiciones, es fcil comprender las dificultades y fracasos de los alumnos para relacionar las teoras como construcciones hipotticas, sino que las asimilan como dogmas definitivos y cerrados (Martinand 1986, Solbe et al. 1987).

2. UNA RESPUESTA PARA LA ENSENAN- ZA DE LAS TEORIAS DE LA LUZ

Consideramos la programacin en la enseanza de las teoras de la luz como cambio conceptual segn los niveles educativos: elemental (9-13 aos), medio (14- 18 aos) y superior (18-23 aos), utilizando modelos dentro de cada una de las teoras y segn el nivel de que se trate. Desde un punto de vista pedaggico es impor- tante utilizar modelos, y por las mismas razones por las que los utilizan los fsicos. Los modelos posibles al analizar los hechos fsicos son los siguientes (Rosado 1986): modelos icnicos o a escala (descripcin deta- llista mediante maquetas del objeto al que se refiere), modelos grficos, modelos matemticos (formulacin matemtica que permite describir situaciones fsicas y hacer predicciones), modelos conceptuales (referencia a imgenes conceptuales, en ocasiones una representa-

cin figurativa) y el modelo cientfico (modelo concep- tual + leyes fsicas), este ltimo es el que corresponde propiamente a una teora. Es importante eliminar pro- blemas tradicionales, como los que aparecen de una transicin discontinua de la enseanza entre dos nive- les educativos consecutivos. Para minimizar estos problemas se requiere de un esfuerzo de adaptacin por parte del alumno, as como suprimir la descoordinacin generalizada entre la formacin y los conocimientos adquiridos en una etapa, y la formacin y conocimien- tos bsicos requeridos en la nueva fase que comienza.

La programacin que se propone considera los concep- tos y leyes ms importantes que el alumno debe cono- cer y asimilar, presentando en cada nivel unos objeti- vos generales y especficos (Rosado 1979), una selec- cin de contenidos y modelos, y por ltimo, unas ideas acerca de los recursos didcticos a utilizar para alcan- zar los objetivos propuestos. Sin embargo, en este trabajo no se pretende hacer un desarrollo detallado de la programacin de los contenidos en las distintas etapas de la enseanza, sino simplemente introducir unas ideas generales sobre dicha enseanza.

2.1. Nivel elemental

En el nivel elemental, a partir de los fenmenos de re- fraccin y reflexin de la luz se introducen los concep- tos de rayo luminoso (relacionado con la luz) y de ndice de refraccin (relacionado con !os medios mate- riales); por tanto slo se considera la Optica Geomtri- ca (el modelo cientfico).

Como objetivo pueden proponerse que: conozca que la luz se propaga en lnea recta (concepto de rayo lumino- so), que observe la desviacin de los "rayos luminosos" al pasar la luz de un medio a otro (concepto de ndice de refraccin), que distinga los distintos tipos de len- tes, que comprenda el fenmeno de la dispersin de la luz por prismas, etc. Los contenidos deben ser sencillos y claramente visualizados en la propia clase o en pequeas experiencias de laboratorio, de modo que el alumno aprenda a observar e incluso a inferir hiptesis. Los modelos a utilizar deben ser los icnicos y anal- gicos, y los recursos didcticos pueden completarse con algunas experiencias que el alumno pueda realizar por s mismo. Para introducir las leyes de la refraccin y reflexin y los conceptos antes sealados debe partir- se siempre de hechos experimentales, de modo que luego se pueda deducir la formacin de imgenes a travs de lentes y espejos mediante modelos grficos (construccin grfica de la imagen).

En este nivel no se tratarn las teoras ondulatoria y cuntica.

2.2. Nivel medio

Siguiendo con el mismo planteamiento del nivel ele- mental, los conceptos para la Optica Geomtrica son los mismos. Ahora se utilizarn adems modelos mate-

ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1989, 7 (3)

OTROS TRABAJOS

mticos sencillos (lo que se conoce como aproxima- cin paraxial): expresin matemtica de la refraccin y reflexin, frmuJas de las lentes, etc. Ya es interesante indicar que la Optica Geomtrica es una teora ms sobre la luz, pero no la nica, especificando sus campos de aplicacin sobre todo en el diseo y fabricacin de instrumentos pticos (anteojos, telescopios, cmaras fotogrficas...).

La teora ondulatoria de la luz (modelo cientfico) puede presentarse a partir de modelos analgicos para explicar fenmenos como las interferencias, usando una cubeta de ondas. Para el alumno, el concepto de onda es difcil de comprender y puede utilizarse el modelo conceptual de onda sinusoidal, con crestas y valles, e introducir otros conceptos como la longitud de onda, indicando su variacin segn el color. Disponer de un pequeo lser sera de gran utilidad para mostrar tanto fenmenos de la Optica Geomtrica (trayectorias rectilneas) como Ondulatoria (interferencias y difrac- cin), con lo que se consigue contrastar estas dos teoras que parten de conceptos totalmente diferentes.

En los ltimos cursos del nivel medio puede empezar a hablarse del concepto de fotn y de la nueva teora de la luz relacionada con el mismo (Teora Cuntica de la luz -el modelo cientfico-). Se debe concluir con una comparacin de los tres modelos, contrastando sus conceptos de partida y sus campos de aplicacin, con el uso de bastantes ejemplos. Puede hablarse de un doble comportamiento de la luz: ondulatorio en su propaga- cin y corpuscular en su interaccin con la materia. As pues, en este nivel debe introducirse la teora ondulato- ria de la luz, y profundizarse en ella con el modelo ma- temtico de la misma, relacionarla con la teora geom- trica y abrir el camino para el modelo cuntico, compa- rando ste con los modelos atmicos y la dualidad onda-corpsculo. Aparecen dificultades en el aprendi- zaje del modelo cuntico si no se realiza ese aprendiza- je como cambio conceptual, partiendo de la propia evolucin histrica de las teoras ondulatoria y corpus- cular (Gil, Senent y Solbes 1987).

2.3. Nivcl superior

En el nivel superior debe completarse todo lo ya cono- cido de los niveles anteriores, sobre todo con modelos matemticos (Hickman 1986) bien asentados sobre los conceptos y la experiencia. Es importante que el alum- no piense detenidamente en lo que en realidad es la luz, sobre la cual existen distintas teoras que, aunque basadas en conceptos y principios bien diferenciados, nos permiten saber cmo se comporta la luz y hacer predicciones segn las caractersticas del fenmeno analizado. Es decir, la luz manifiesta uno u otro com- portamiento dependiendo del fenmeno ptico que se estudie. Es importante matizar las ltimas aplicaciones tecnolgicas de la Optica, as como las aplicaciones de la ptica en otras Ciencias, de manera especial en las que tienen relacin con la carrera que el alumno est cursando. Las experiencias de laboratorio y la resolu- cin de ejercicios prcticos son fundamentales, y han de guardar una completa relacin con el modelo mate- mtico presentado. Hay que intentar huir de la imagen

incorrecta, que en muchas ocasiones produce el exce- sivo peso del empirismo o del formalismo, indicando claramente las rupturas cientficas existentes frente a una imagen lineal y acumulativa del desarrollo cient- fico.

2.4. Proceso bsico de enseanza-aprendizaje

El proceso de enseanza-aprendizaje consistir, en todos los casos, en una presentacin del fenmeno en el cual interviene la luz, junto con las leyes experimenta- les que gobiernan dicho fenmeno. Paralelamente se introducirn los conceptos necesarios (apoyados en definiciones claras). A partir de aqu, y teniendo en cuenta las hipstesis simplificadoras que siempre se hacen, se llega a la formulacin del modelo o teora final. Este modelo servir, por s mismo, para dar una explicacin de otros fenmenos experimentales no considerados al inicio e incluso para hacer predicciones.

Es interesante comparar las distintas teoras necesarias para interpretar los diferentes fenmenos luminosos, de modo que cada teora tenga un proceso de enseanza como sigue:

PRESENTACION DEL FENOMENO INTROOUCCION DE CONCEPTOS EXPERINENTAL (PWDELO CONCEPTUAL)

LEVES EXPERIMENTALES HI POTESIS

EXPLlCAClON DE NUEVOS FENOI1ENOS r---l

Como puede verse se trata simplemente de la utiliza- cin y adaptacin del mtodo cientfico (Chalmers 1984) al proceso de aprendizaje de las Ciencias Expe- rimentales.

3. CONCLUSIONES

La enseanza de la ptica, y en general la introduccin de los modelos sobre la naturaleza de la luz, es quizs uno de los apartados ms descuidados del desarrollo curricular desde el nivel elemental hasta los primeros aos de Universidad, a consecuencia, sobre todo, de la poca interconexin que existe entre las enseanzas de

ENSEANZA DE LAS CIENCIAS, 1989,7 (3)

OTROS TRABAJOS

los distintos cursos. En stos no hay un planteamiento lgico de la introduccin de los conceptos fsicos y su evolucin, que el alumno debe y puede asimilar en funcin de su edad. Junto a ello, el contenido predomi- nante de la Mecnica y la Electricidad que se encuentra en todos los programas y libros de texto (en los niveles elemental y medio), impide un mejor conocimiento de otras partes de la Fsica como es la correspondiente al estudio de los fenmenos en los que interviene la luz. A esto hay que aadir la falta de unin entre los conceptos y modelos que se explican sobre la luz, de modo que es difcil que los alumnos p,uedan relacionar y contrastar las ideas aprendidas de Optica Geomtri- ca, Optica Ondulatoria y, sobre todo, las ideas cunti- cas acerca de la naturaleza de la luz.

Nos encontramos, por tanto, ante un tema del cual se ha escrito, investigado y discutido mucho desde los co- mienzos de la Fsica; sin embargo, apenas es tratado en las programaciones de Fsica de los niveles no univer- sitarios. Esto hace que los alumnos acumulen una gran cantidad de errores conceptuales a lo largo de sus aos de estudio-y cuya eliminacin es tarea difcil de reali- zar. Sumado a esto estn muchas veces los errores, tambin conceptuales, que los propios profesores tie- nen, debido a un insuficiente conocimiento global de la Didctica de la Fsica y del aprendizaje de la Optica en particular, y originados por la propia enseanza re- cibida.

Sera interesante plantear un desarrollo curricular lgi- co y equilibrado. Introducir los distintos conceptos en funcin de la edad de modo que los alumnos puedan asimilarlos y no escandalizarse de los distintos mode- los que sobre la naturaleza de la luz se han desarrollado. Llegar a comprender sus limitaciones, entendiendo que no unos son completamente falsos ni otros completa- mente verdaderos. A todo esto hay que aadir el cre- ciente papel de la Optica en la Ciencia y Tecnologa modernas (Bernabeu 1985). El desarrollo del lser, las fibras pticas, la comunicacin por fibras, la ptica integrada, la holografa, etc. (Rosado 1987), hace

necesario que el joven de hoy est informado sobre los aspectos fundamentales de la luz, su naturaleza o natu- ralezas y sus aplicaciones.

En definitiva, en una programacin lgica los aspectos geomtricos, ondulatorios y corpusculares de la luz han de ser tratados con mayor o menor profundidad, pero siempre de modo que se vayan asentando poco a poco, desde el colegio hasta los aos de Uniyersidad. En los libros de texto hay que dar a la Optica la importancia que se merece, dejando de ser las distintas asignaturas de Fsica slo enseanzas de Mecnica y Electricidad, en detrimento de aqulla. Adems, y como novedad, sera interesante tratar la Optica lo antes posible (Rosado 1979), contrariamente a lo que sucede en los programas tradicionales antes mencionados, y esto puede justificar, dado que el nio se relaciona muy pronto con la luz, los espejos y las lentes. Uqido a esto, para desarrollar las principales nociones de Optica slo se requiere la aplicacin, de expresiones geomtricas sencillas. Por ltimo, la Optica permite que el alumno analice directamente una evolucin y cambio de con- ceptos en esta parte de la Fsica, y el conocimiento de distintas teoras, lo que luego podr extrapolar fcil- mente a la Mecnica, la Electricidad y la Fsica Atmi- ca. Desde un punto de vista pedaggico, la enseanza y experimentacin en Optica constituye una herra- mienta sumamente til en la comprensin de los fen- menos fsicos.

Finalmente, la ptica presenta una ventaja adicional: los distintos modelos sobre la misma se estudian desde el nivel elemental, lo que permite su anlisis y evolu- cin. Esto no ocurre, por ejemplo, con las teoras de la Mecnica, pues slo en cursos avanzados de la Univer- sidad se presentan otras teoras a parte de la Newtonia- na, como son la Relativista y la Cuntica. Mientras la primera es estudiada durante todos los cursos de los niveles elemental, medio y hasta superior, las dos ltimas slo son tratadas en el nivel superior, lo que no permite, en este caso, un aprendizaje mediante un verdadero cambio conceptual.

BERNABEU, E., 1985. La ptica y las nuevas tecnologas, FURI, C. y HERNNDEZ, J. , 1985. La enseanza de la Prospectiva de la enseanza de la Optica en Espaa, Vol. teora atmica como cambio conceptual y metodolgico, 1, pp. 37-48. Enseanza de las Ciencias. Nmero Extra, p. 60.

GIL, D. y CARRASCOSA, J . , 1985. Science Learning as a CHALMERS, A., 1984. Qu es esa cosa llamada Ciencia? conceptual and methodological change, European Jour-

(Siglo XXI Editores: Madrid). nal of Science Education, 7, pp. 231-236.

OTROS TRABAJOS

GIL, D., SENENT, F. y SOLBES, J., 1987. La introduccin a la Fsica Moderna: un ejemplo paradigmtico de cambio conceptual, Enseanza de las Ciencias, Nmero Extra, pp. 209-210.

HEISENBERG, W., 1979. Encuentros con Einstein y otros ensayos cient&icos. (Alianza Editorial: Madrid).

HICKMAN, F.R., 1986. Mathematical modelling in phisics, Physics Education, 21, pp. 173-180.

MARTINAND, J.L., 1986. Enseanza y Aprendizaje de la modelizacin, Enseanza de las Ciencias, 4, pp. 45-50.

MEHEUT, M. y LARCHER, C., 1987. Modeles particulaires dans l'initiation aux sciences physiques. Enseanza de las Ciencias, Nmero Extra, pp. 261-262.

MORALES, J.F., 1987. Metodologa y Teora de la Psicolo- ga. (UNED: Madrid).

ROSADO, L., 1979. Didctica de la Fsica. (Edelvives: Zaragoza).

ROSADO, L., 1986. Modelos en los Procesos de la Ciencia y su contrastacin. (UNED: Madrid).

ROSADO, L., 1987. Electrnica Fsica y Microelectrnica. (Paraninfo: Madrid).

SCHEIDER, W., 1986. Models in Physics and Engineering, The Physics Teacher, 24, pp. 488-491.

SOLBES, J., CALATAYUD, M., CLIMENT, J. y NAVA- RRO, J., 1987. Errores conceptuales en los modelos at6- micos cunticos, Enseanza de las Ciencias, 5, pp. 189- 195.

WENHAN, E.J., DORLING, G.W., SNELL, J.A.N. y TAYLOR, B., 1972. Phyisics Concepts and models. (Addison-Wes- ley: London).

ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1989,7 (3)