Revista \1cxicana de Física 21 (1972) E4.3-E50

LABORATORIOS DE APRENDIZA]E,¿PARA QUE?

R. Gómez G.

Facultad d~ Ci~llcias,

S. Reyes L.

C~ntro d~ InstmllJ~nt()s.

H. Rivcros R.

Instituto d~ ¡:ísica, Univ~rsidad Nacional d~ ¡\f éxico

(Recibido: agosto 30, 1972)

E43

ABSTHACT: Physics laborarory is an important element in rhe process of

learning the subject. Two of irs complementa!)' aspecrs, the

infonnative and rhe fonnative ones, are discussedparticularly.

In order the physics laborarory meats with rhe last one, ir ¡s

neccssary to dcvelope a methodology to, "ask" ro nature by

rncans uf a wcll planned cxperimcntarion. Using thrce simple

experimcnts: simple pendulum and rhe g derermination, thede[enninarion of salol's me1ring poinr, and measuremcnt of the

time ncccssary for a liquid to lea\'c its container through ahole, sorne examples of intl'rrogations originating construc[ivl'discussions are presenred.

(fóm('z l" al

lo I:-.'TRODUCCIO:-.'

La {'nseilanza de las ciencias, en la actualidad, constituye un r{'to

al personal ('nCiHgado de ella. Por una pane, sus trcmendos a\',\nces provo-can una gran demanda de conocimientos por parte de los estudiantes. ¿Qué

j(HTn pucde perm.lnccer en actitud contemplativa ante los satélitc ...•anificia-

les, cl láser, las minicomputadoras? Ciert.\ment{. la curiosidad no constitu-

ye la única motivación para el estlldio formal de la ciencia, pero SI es unfuene agentc para ello. Por otra parte, en la sociedad en quc vivimos, a la

ciencia se le asignan cada día más responsabilidades. Después dc todo, elestudio ci{'ntífico ayuda a que el individuo se forme un,l ,\Ctitud crític,l fren-

te a la vida y el medio que lo rodea, El estudiantc, desdc una ctapa muy

tempCi\na, debe aprender a inquirir, reconocer, seleccionar, formular, .1I1alizar

y comunicar las diversas propi{'dades del medio que lo rod('a )' ésto lo puedeaprendcr dc manera n,1tural del método científico.

Veamos cómo podemos identificar en este marco general Ll ens('(lan-Z,l de la física, y en particular el laboratorio de física.

Un cur ...•o de física ticne dos aspectos comp1elTH:nt.Hios, uno informa-[I\"() y otro form,Hi\'o. El primero permite conocl"C y entender los problemas{'stlldi.Hil)s y el scgundo prepara para el estudio dc nue\'as ,situacionc.s. y conello, de nuevos avance ...•. Dentro de los dos aspectos de ('ste ,lprendizaje, dLlboratorio de física puede jugar un papel importante: En el inforlllati\"(). ,1

tr,w( ..•• de experimentos de demoscraci()n cuidados,lmentc preparados, e ...•un

auxili.1r valioso para Lt presentación de ciertos fenómello ...•y P,H,1 fOlTlcnc.lC 1.1

discusitlll. I.as dClllostraciones introducen cierto grado d(.. desord('ll qu(.', ca-

nalizado ,ldecuadamellt(., confiere amenit!.ld a la cia ..••c y ,'yuda a mejorar las

reLlCioncs entre el profesor y los alumnos. Un,l demoscLlci{)ll [('quiere dc

ulla preparación prc\'ia p,lCa comprobar el funcionamiento de Codos los dispo-

sitivos, pues casi no hay nada qu(.' desanime tanto al estudi,lnte como una dc-mostración fru ..••trada. También es importante incroducir algo de "actuación

[eacral" para obt('IH'r el mayor impacto de la demostración, aunque esto último

es parte de toda clase. Es en el aspecto formativo en donde se manifie ...•tanlas mejorcs cu.didades del trahajo en el laboracorio; d{. un modo natural intro-duce ;)1 alumllo CI1 el aprelldizaj(' del método científico )' hace ver que las le-~.es y las t('orías se acept,ln en la física porque describell adecuadalllen [e losfenómenos ohs('n',ldos, y que cada tcoría o modelo tiento un Ínren'alo de vali-dez, que c .•• la re,gión <,n la que las predicciones del modelo o de la teoría ('s-Lín de ,lcuerdo con lo" rcsulcldos experimellta!e .••.

Pero ¿ClJIllO lo,grar que el laboratorio cumpLt su función cn lo que .••{.r('fíc.:rc ,ll .l"lH'cto formativo de la ellSetlanza?

Laborato,io."i di' apH'ndizajl' ... ¡'A5

Para responder a eseo, S{' puede pensar que, en realidad, un ('xpefl-m('neo es una prq~unta que S(' le hace a la ~aturaleza r qU{' ésta se {'ncargade contc:star. El probl{'ma fundamental consiste en poder desarrollar una me-todología inteligen({' para formular estas preguntas y para ("lt{"Hier las res-pu{'stas dadas.

En muchas ocasiones ocurre que ni siquiera S(' tiene una idea clarade qué {'S lo que sc debe preguntar. De hecho, las pr<.'guntas surg('n normal-mente de ci{,rtas indicacion{'s qU(' nos da la misma naturakza. Estas indica.ciones resultan d(, las obsen.aciones de los fenómenos, )' son el primcr pasoen el proel'so qU{' conducirá, después de la ('xp('rimentaci()n r el análisi s. ala respu{'sta ('ompleta, Una ,'ez que se realiza la experimentación, se tratade estabkcer una descripción adecuada del fenómeno, generalmente {'n térmi.nos de f{'nómenos relacionados. En otras palabras, se trata de establecer unmodelo de su comportami{'nto. Durante este proceso, {'S común que pu{.danhacerse' prediccion('s de aspectos diferentes del fenóm('no qU{', naturalmentc,habrá que corroborar mediante experimeneos posteriores. La nu{'va informa.ción obtenida mediant(' estos ('xperimentos puede tener varias consecuencias:

a) La necesidad d{, abandonar el modelo r la de adoptar uno nuevo

b) La modificación del modelo

c) La comprobación de la validez del modelo.

En ('ste último caso, se puedt- considerar que el experimento ha teni-do éxito, cuando menos en 10 que se refiere al experimento ,~islado. Si la si.tuación es la indicada en los incisos a) y b), el experimento es el inicio denuevos ciclos {'n el proceso, hasta alcanzar el caso c). Finalmente. resta-ría incorporar los resultados del experimento a aquellos obtenidos en otrosexperiml."ltos semejantes, para. poderlos colocar en una 41 superestructura" quelos expliqu{', partiendo de principios generales. En otras palabras, faltaríaelaborar una teoría sobre los fenóml.'nos observados.

Pensa.mos que si el trabajo en el laboratorio se ajusta a este esqu{'ma,cumpk con los requisitos de ser formativo, pues estimula d sentido críticodel estudiante, ya que éste tiene que escoger un procedimi{'nro de trabajo quele proporcione la información deseada con la máxima eficiencia, decidir si secumplen o no las aproximaciones introducidas en el modelo, determinar conqué precisión está obteniendo sus resultados, )' decidir si ésta es suficientepa.ra sus propósitos, interpretar sus resultados r finalment(' sacar -"us co~clu.slones.

El estudiant{' necesita familiarizarse lentamente con l.'stas ideas, elgrado de dificultad de las preguntas aumenta conforme se' ,n'anza en el proce.~o de aprendizaje: simultáneamente, se reduce la información adicional que

E46

requiere para planear y desarrollar elnaturaleza conteste su pregunta.

Gómez e( al

experimento en el que espera que la

11. ALGUNOS EXPERIMENTOS SENCILLOS

Cabe mencionar que, existe una tendencia marcada de creer que para

lograr los objetivos mencionados, es necesario contar con un equipo excesi-

vamente elaborado y COStoso. Aunque en muchos casos esto es cierto, noes, ni por mucho, una regla general. De hecho, muchos de los experimentosmás importantes en el desarrollo de la física, se caracterizaron por su senci ...Hez. A continuación se describen algunos experimentos que ejemplifican loexpuesto.

Péndulo simpl~. En este caso se pueden plantear muchas preguntas, talescomo ¿cuáles son las variables del sistema? ¿cómo varía el período de osci-lación cuando cambia la amplitud de oscilación? ¿cómo varía el período deoscilación con la masa del péndulo? ¿cómo varía el período de oscilación conla longitud del hilo? ¿cuál es el valor de la aceleración de la gravedad y cuáles la máxima precisión que permite el equipo usado? La primera pregunta,supone simplemente un examen cuidadoso del sistema. Las tres preguntassiguientes se pueden responder de un modo empírico, sin referencia a ningúnmodelo. La respuesta a la última pregunta, presupone el conocimiento de unmodelo que correlacione a la aceleración de la gravedad g con las propieda-des del péndulo. En experimentos planeados para responder a la segundapregunta, se han visto casos en los que el alumno, a pesar de obtener resul-tados que muestran la variación del periodo con la amplitud de la oscilación,insiste en que el período es constante. La discusión generada, puso de mani-fiesto la fe en la letra impresa y la falta de comprensión de los temas estudia-dos. Incidentalmente, para este experimento se usó un péndulo común, y uncronómetro capaz de medir décimas de segundo. En experimentos planeadospara medir g, la discusión para escoger el mejor procedimiento para obtenerla máxima precisión y el método de interpretación, sirve para desarrollar elespíritu ccÍtico del estudiante. Se discute si conviene utilizac una sola lon-gitud o diferentes longitudes, cuántas veces conviene cepetir una medida, sies mejor tratar los valores independientemente o graficarIos de modo que dela pendiente de una recta se obtenga g, etc.

La figura 1, muestra un ejemplo de los resultados obtenidos por un es-tudiante, que eligió medir el pecÍodo como (unción de la longitud del hilo. De

Laboratorio." de aprendizaje ... E47

la pendiente de la recta obtuvo el valor de g; nótese que la recta no pasa porel origen, esto se debe a que se graficó la longitud del hilo, sin tomar encuenta la distancia del centro de masa del péndulo al punto de amarre del hi.lo. Si se hubiera calculado g para cada punto, esto hubiera introducido unenor sistemático en su valor.

9 ,8

T 51'91

7

6

5

4

3

100 150R cm

200Fig..ra 1 RELACION ENTRE EL CUAORAOO DEL PERlOOO Y LA lOOGITLO OEL >fl.O

tempera~continua,elige calentar el salol transmitiéndole calor de manera

del calor latente se manifiesta por la constancia de la

Dr/rrminación dr/ punlo dr jusiÓ1J dr/ S%/. Este es un experimenw típicode determinación de una con~tante caranerísdca. La discusión empieza,desde cuál es la forma más conveniente de medir: un método estático que man"tenga en equilibrio la fase sólida con la líquida, o un método en el cual seagregue calor continuamente al sistema, de modo que la temperatura vaya enaumen{Q hasta que comienza la fusión, con la consiguiente absorción de calorlaten te.

Si sela absorción

¡-:.lH Gúm{"z l'[ ,ti

[Ura mientras Jura la fusión. Por otra pane. <:1(.'xp<:rinH'nto puede ("omp1emc:n-

tarse obs('rvando no sólo el c,li(:ntamiento, si no [ambii"u el enfriamiento de la

suhstancia mediante la extracción continua de calor. :\1 hacer esto, ...•(. oh-

,serva que, c:n muchas oc;l.sioncs, el salol pasa por la tcmpni.1tura dc fusi{=lfl(o solidificación) .••in camhiar de estado; su (cmp<.'r;.l(ura pu('de llcg.lf ha.st<l20°C por debajo d<:l punw de fusión, sin que .<¡e presente el cambio de fas(',Cuando este cambio finalm<"IH(' se produce. el d(:sprcndimicnco del calor la-tente de fusión hace que la t<,'mperatura dt,¡ s.\lol aunH:nt(' hasta la tcmperaru-r.l de fusión. Cuando todo e) material se ha ,'.;olidificado, la CCmpeLl(Ur.l ('m.

pieza a desc('nder nuevanH:n[(', En este experimento se presenwfl do ..• ,lSP('C.

tos inespcrados (por lo ~(,Ileral) para el alulllllo: ('1 sooret.'llfriami('nto del ma.

(('lial al pasar por el PUflW dc solidific<.lción, y su ca1elltamic(l(o al producir.

se ésta. Este asp('eto puede servir como iniciación de una discusión soha'cambios de fase y soba' calores Luentcs (ver la figura 2),

•

",•40

30

20i

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60

FIGLRA 2 ct.R\IAS DE CAl...ENTAMENTO y E~RtAt-'lENTO DEL SAlOl

70

t min

00

Laburalorio~ dr>aprendi:zaje ... IA9

Como aspecto complementario añadiremos que el salol es una subs-tancia que tiene bajo punto de fusión (40°C), al solidificar cristaliza en for-mas romboidales y es birrefringente. Las dos últimas propiedades puedensef\'ir, adicionalmente, para introducir algunas de las propiedades de los só-lidos, ya que la forma romboidal de los cristales se obserya a simple yistao con la ayuda de una lupa, y la birrefringencia hace que el material presen-te bellos colores al observar una capa delgada de éste a través de dos lámi-nas de material polarizante. El salol se puede adquirir en cualquier farma-cia.

Ti~mpo d~ vaciado d~ un líquido, a través d~ un orificio ~n ~l r~cipi~llt~ qu~lo conti~l1~.

Este es un experimento planeado de tal forma que el estudiante notiene información previa que le permita suponer el tipo de resultados que vaa obtener.

Consiste simplemente en investigar como cambia el tiempo de vaCia-do de cierta cantidad de líquido a través de orificios de diferentes tamañosen un recipiente, y también en observar las variaciones del tiempo de vaCia-do de diferentes cantidades de líquido a través de un solo orificio.

La discusión se origina desde seleccionar las variables en el siste-ma y el procedimiento de medida; la presentación de los resultados, es muyimportante para su futura interpretación. El hecho de no contar con informa-ción previa, permite ilustrar claramente la forma en que se pueden interpre-tar los resultados como primer paso en el establecimiento de un modelo.

1Il. CONCLUSION

Resumiendo, diríamos que existen tres aspectos principales en el di-seno de un experimento.

1) El planteamiento adecuado del problema. Esto es, ¿cuál es la pre-gunta que le ...-amosa formular a la ~aturaleza? En este punto resulta impor-tante tener una idea clara de cuáles son las variables del prob1<:ma, tanto de-pendientes como independientes, cuáles son sus intervalos de variación, cuá-les son los parámetros constantes, y cuál es la precisión necesaria en lasmediciones.

2) La di sposición y el desarrollo experimental. Aquí se requJ(.:re te-ner una iJea clara del funcionamiento de todos y cada uno de los aparatos

ESO Góm('z ('t al

experimentales, así como de su prcclslon ¡ntrÍnS('Cl y de ~u funcionamientode conjunto. También es conv('nicnte realizar un (.'xperim,:nto de prueba quepermita comprobar el funcionamienw dd equipo experimental, así como mejo-rar la técnica empIcada. Finalmente se [('atiza ('1 experimento 'icseado.

3) La interpretación ci,' los resultados. Est(, ('S, posibl('mentc, d pun-to más importante y más difícil de todo el procedimiento. pues dep,'nde de larCCoSen ración de los resur tOldos, del obj ('ti \'0 dd e xpecimen tu. de la pece isiónlograda r de la presencia de factores nu('\'os, d('sconocidos () extraños.

Prácticamente cualquier ('xpcrirncnto se puede plantear como una pre-gunta. Lo importante para la formación del estudiante, son lo." métodos quedesarrolle para la planeación de su experimenlo, para su ejecución y para suinterpretación de los resultados. Este punto de vista formativo. "ie puedecomplementar si se escogen preguntas tales qU(' lo familiaricen con los prin-cipios básicos de la física, con lo que (.1 laboratorio de ens('ñanza cumplirácon ambos aspectos, formar e informar.

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l. nxp~rim~llla/i()l1. AIl il1lroduc/ion lo m~asur~m~n/ Ih~oT)' and ~xp~,.i"unl

d~sign. D. C. Baird, Prentice lIall Ine., 1962. Es un libro exccicnt{'que sirve como introducción al ualami<:-nw de datos}' al dis<:-ño de {'xperi-m<:-n(Os. Particularmente, recomendamos la introducción y el C<lpÍtulo l.

RESUMEN

Se sitúa al laboratorio de física como un clemenw importante en elaprendizaje de dicha ciencia. En particular se discuten dos ci{, sus asp{'ctoscompkmentarios: el informativo y el formativo, Para que d laboratorio cum-pla con el último, es necesario que se desarrolle una metodología para formu-lar prq~un(as a la naturaleza a base de una exp('rimentación planeada corree-tam(.'l1te. Usando tres experimentos sencillos: el péndulo simpk y la (h.termi-n,1<..'j,')nde g. la determinación del punto ci{' fusión d(.) salol, y la m(.'dición ddri('mpo de vaciado de un líquido a través de un orificio en d Tecipien[(' que lon)fl[icne. s(' ejemplifican el tipo de preguntas que originan una discusiónconstructl\'a.