enseñando física: una guía para el no especialista, por jonathan osborne y john freeman

RESEÑA:

Releer clásicos de la literatura académica siempre enriquece. Pese al paso del tiempo, los nuevos avances, los matices que se yuxtaponen o la emergencia de nuevas líneas de investigación, mirar atrás es siempre una manera de enriquecer nuestro propio conocimiento. Es también una manera de corroborar cómo las áreas del saber que nos interesan se consolidan. Tal es el caso de la didáctica de las ciencias experimentales, ámbito del que la obra aquí reseñada constituye ya un clásico.

La reflexión sobre qué ciencia enseñar y cómo hacerlo es tan antigua como las propias disciplinas científicas. No en vano la enseñanza constituye uno de los elementos vertebradores de las mismas, ya que asegura su propia permanencia y continuidad. Asimismo, desde la conformación decimonónica de los sistemas educativos nacionales, donde fue posible encontrar disciplinas escolares del ámbito científico en la enseñanza secundaria, las cavilaciones sobre enseñanza de las ciencias fueron muchas y muy diversas. En el contexto español, cabe destacar que la materia de Física y Química hunde sus raíces en diversos planes de estudios del siglo XIX, habiendo perdurado hasta nuestro marco normativo actual. Que ambas ciencias conformen una única disciplina escolar no es un aspecto único pero sí distintivo de la historia de la enseñanza de las ciencias en España. Así, el cuerpo de profesores de Física y Química de instituto (con denominaciones cambiantes a lo largo de la historia) integra tanto a químicos como físicos, así como a titulados universitarios procedentes de otros estudios de ciencias e ingenierías. Esta heterogeneidad en la formación inicial (también presente en otras especialidades como Biología y Geología o Geografía e Historia), si bien puede verse ligeramente compensada por la formación complementaria recibida en el Máster en Formación del Profesorado (donde es común que en función de su titulación de origen se curse una materia u otra sobre contenidos disciplinares), está lejos de ser un factor desdeñable.

Es en este punto donde las didácticas específicas, concretamente la didáctica de las ciencias experimentales, juegan un papel especialmente determinante. No solo por brindar al docente las oportunas pautas y orientaciones metodológicas para enseñar sus materias, sino también por hacerle conocedor del conocimiento didáctico del contenido que ha de dominar en su labor docente. Esta reflexión sobre los conceptos científicos clave que han de vertebrar la física y la química escolar es fundamental para el docente. En esta línea se sitúa la obra Enseñando física: una guía para el no especialista. Pensada para profesorado de Física que no ha cursado la carrera de Física, constituye un texto clásico de la didáctica de las ciencias de gran interés para el profesorado de Física y Química, especialmente para aquellos químicos (o egresados de otras titulaciones distintas a la Física) que se sumergen en el fascinante y desafiante mundo de la enseñanza de la física. 

El libra, obra de dos destacados autores en el ámbito de la educación científica como son Jonathan Osborne y John Freeman, fue publicado en castellano en 1996. Su publicación en los ya algo lejanos años 90 no es casual. En dicha década la didáctica de las ciencias experimentales experimentó una notable consolidación como disciplina académica autónoma, un periplo que se había iniciado en décadas anteriores y que comenzó a cristalizar en aspectos como la creación de departamentos universitarios propios o la realización de tesis doctorales en el área, lo que paulatinamente contribuyó a dotar a la enseñanza de las ciencias del máximo estatus académico posible. No obstante, como ha mostrado la investigación en historia de la educación científica, esta deseable academización de la enseñanza de las ciencias como campo del saber definió espacios y lenguajes que, aunque necesarios para la disciplina, en ocasiones dejaron de ser hablados y transitados por otros colectivos ligados a la enseñanza de las ciencias con notable anterioridad a la propia disciplina didáctica, como el profesorado de instituto. Es en este marco donde obras como la de Osborne y Freeman cobran especial valor, al acercar la entonces efervescente investigación sobre concepciones alternativas del alumnado a la acción del profesorado. Enseñando física: una guía para el no especialista se revela así como un texto de especial interés por sintetizar las principales ideas sobre la «ciencia de los muchachos» (término usado por los autores) y cómo tenerla en cuenta para un aprendizaje significativo de la física. En definitiva, si comparamos al docente con el personal médico, esta obra facilita un diagnóstico sobre el que seleccionar el tratamiento más eficaz para que el estudiante aprenda física. 

Si bien es cierto que desde su publicación han visto la luz muchos trabajos de gran valor sobre concepciones alternativas del alumnado en relación con los conceptos, los modelos y las leyes de la física, no es menos cierto que Enseñando física: una guía para el no especialista sigue constituyendo una obra de recomendable lectura para el profesorado de Física que desee conocer qué puede aportar la investigación didáctica a su labor docente. He aquí algunas lecciones que nos brindan Osborne y Freeman:

CINEMÁTICA Y DINÁMICA:

• Puede resultar de gran interés para nuestros estudiantes que se les pida que imagen que son Newton y tienen que escribir los Principia. ¿Qué leyes del movimiento escribirían en ellas? Así es posible identificar qué ideas previas tienen sobre el movimiento de los cuerpos. 

• Velocidad (magnitud vectorial) y rapidez (magnitud escalar) no deben usarse como sinónimos. 

• Se debe enfatizar en el concepto de aceleración y sus unidades. Así: «Si un objeto tiene una aceleración de 5 m/s2 significa que en cada segundo la rapidez se incrementa en 5 m/s, así que la aceleración estaría medida por el cambio en la rapidez producido en cada segundo». Como señalan los autores, «los números sencillos proporcionan aquí una herramienta convincente para poder fijar los conceptos abstractos» (p. 18). 

• Sobre la primera ley de Newton, el alumnado suele creer que si un cuerpo no se mueve es porque no hay una fuerza que actúe sobre él y que si se mueve, es porque hay una fuerza actuando en la dirección del movimiento. Para derribar estas ideas es de interés usar vídeos sobre movimiento en el espacio y plantear a los estudiantes por qué los objetos en el espacio mantienen una velocidad constante si no se les aplica fuerza. 

• Sobre la segunda ley de Newton, es de interés incorporar tablas con datos que permitan al alumnado deducir la proporcionalidad entre fuerza y aceleración a condición de masa constante. 

• Sobre la tercera ley de Newton, deben evitarse enunciados del tipo «cada acción tiene una reacción igual y opuesta» ya que no se explicita que dicha ley se aplica a fuerzas ejercidas por un cuerpo sobre otro. Se prefiere enunciados del tipo: «Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejercerá una fuerza igual y opuesta sobre el primero». 

• Sobre la relación entre masa y peso, se indica que: «Se debería decir a los alumnos que el frutero nos engaña. la fuerza sobre 1 kg de masa en la superficie de la Tierra es, aproximadamente, de 10 N. Puesto que los newtons no forman parte de nuestro vocabulario cotidiano, el frutero decide llamar al peso de 10 N un kilogramo de peso empleando mal los términos, porque 1 kg es una unidad de masa y no de peso» (p. 27). También advierten que los estudiantes suelen pensar que sobre los astronautas no actúa peso alguno por estar «tan alto» que no hay gravedad. 

• Sobre el concepto físico de momento: «Una prueba que puede causar dificultades al profesor inexperto se debe a la brillante chispa producida por un alumno cuando pregunta de dónde proviene su momento cuando comienza a andar. Al fin y cabo no tenía momento antes y ahora parece que, misteriosamente, ha obtenido alguno. La respuesta sería que ha tenido que acelerar por sí mismo presionando la Tierra hacia atrás y de este modo da a esta un igual pero opuesto momento, así que la variación neta es cero. Puede sonar absurdo, pero es cierto. Desde luego, la Tierra es mucho más pesada que la media de los alumnos y por consiguiente la aceleración es efectivamente nula. Sin embargo, si todos los chinos comenzaran a caminar en dirección este podrían acelerar el mundo en dirección oeste» (p. 29). 

• Debe explicarse el origen del término «fuerza centrípeta» (de centrum, «centro»; y peto, «entrar en») ya que «algunos alumnos encuentran más fácil de recordar las palabras técnicas si se explica su etimología» (p. 31). Se evita así la idea previa de buena parte del alumnado de que el movimiento circular de un cuerpo se debe a una fuerza dirigida hacia fuera. 

ENERGÍA:

• Antes de comenzar a trabajar en clase los aprendizajes sobre energía, es de interés proponer al alumnado que escriban un par de frases sobre qué entienden por la misma a fin de identificar sus ideas previas, dado el carácter especialmente abstracto de este concepto físico. 

• Una buena analogía para abordar el concepto físico de energía es el dinero: «Es tan sensato tratar la energía de forma abstracta como hacerlo con el dinero. Si nosotros educamos a los chicos con ideas sencillas sobre el dinero, bien podemos ser capaces de hacer lo mismo con la energía» (p. 36). 

• Debe evitarse hablar de distintas formas de energía intrínsecamente distintas (energía química, eléctrica, luminosa...), pues «solo hay dos formas de energía diferentes: la energía almacenada y la energía cinética» (p. 35). Debe hablarse de transferencia de energía y no de transformación. «Es mejor no pensar en las diversas formas de energía como cosas físicamente distintas ("La energía cinética cambió a energía potencial"), sino como la misma energía que emplea distintos disfraces ("La energía del coche pasó de cinética a potencial") (p. 40). 

• Debe evitarse presentar la energía como el factor causal de cualquier proceso. 

• Debe enfatizarse que cuando se indica que la energía se degrada se quiere decir que se transforma en energía de menor utilidad. El rozamiento debe presentarse como un mecanismo que transfiere energía de forma indeseada. 

• La historia de la ciencia es de especial interés para introducir el principio de conservación de la energía: «Para nuestros alumnos, la ley de conservación de la energía es inevitablemente un acto de fe basado en una exposición histórica de los experimentos llevados a cabo por Rumford y Joule. Sin embargo, presentada con un estilo vivo e ilustrado, la convierte en un entretenido relato acerca del esfuerzo humano. Además, esta es una oportunidad ideal para que los alumnos realicen algún proyecto sobre el desarrollo histórico de una idea importante» (p. 43). 

• El calor «no es una forma de energía, sino una manera de describir el hecho de que la energía en los átomos es a la vez energía almacenada y energía cinética» (pp. 43-44).

• La energía es un saber fundamental del currículo de física: «El futuro ciudadano equipado con un conocimiento más adecuado de la energía y la ciencia es probable que haga una elección informada y esperanzadora de las fuentes de energía, utilizándolas de una manera más responsable socialmente» (p. 48).

ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y ÓPTICA:

• «Es importante que los muchachos vean a la electricidad como un sencillo, limpio y cómodo medio de transporte de energía de un punto a otro» (p. 58). 

• El alumnado suele prensar que la corriente sale de la batería por ambos terminales y que su choque en las bombillas produce la luz. Ante el enunciado de que la corriente que sale de la batería es la misma que llega, suele surgir la duda de por qué entonces se agotan las baterías. Para ello es de especial interés usar analogías que permitan contextualizar cada una de las magnitudes eléctricas.

• Con la analogía del circuito eléctrico como un circuito hidráulico el alumnado puede visualizar cómo el agua (símil de la corriente eléctrica) no se agota al regresar al punto de partida. La bomba que impulsa al agua por el circuito sería la batería y los estrangulamientos de las tuberías, las resistencias. La presión hidrostática que marcaría el manómetro sería el equivalente al potencial eléctrico. La bomba tiene el papel de elevar el agua a una alta presión (le proporciona un gran potencial). La fuerza electromotriz sería el equivalente a la máxima presión que podría proporcionar la bomba (máxima energía que la batería puede suministrar a los electrones).

• Dada la ambigüedad del término voltaje, se recomienda emplear diferencia de potencial (entendiendo el potencial eléctrico como energía por unidad de carga) o fuerza electromotriz (diferencia de potencial desarrollada entre los extremos de la pila). 

• Debe enfatizarse que la resistencia eléctrica varía con la temperatura y que por ello se incorporan resistencias a los dispositivos electrónicos, ya que permiten vigilar su temperatura. 

• El alumnado presenta importantes limitaciones a la hora de realizar medidas experimentales de magnitudes eléctricas, por lo que debe fomentarse el uso de voltímetros, amperímetros y otros dispositivos en las aulas de física.

• Los estudiantes suelen pensar que los polos solo están en la superficie de los imanes. 

• El alumnado suele confundir los polos geográficos y magnéticos. 

• «Vale la pena guardar un imán roto a propósito» para el aula de física, ya que: «Si un imán se rompe por la mitad podría esperarse que los polos norte y sur se separaran. En la práctica esto no es así; un nuevo polo norte y sur se crea en cada pedazo y hay dos imanes en donde antes solo había uno» (p. 61).

• El alumnado suele pensar intuitivamente, al igual que los pitagóricos, que la luz emana del observador. 

• Muchos estudiantes explican que la Luna brilla porque tiene luz propia. 

• Existen símiles y experiencias sencillas para explicar la reflexión, la refracción y la difracción de las ondas. Para la reflexión, basta compararla con pelotas botando contra la pared. Para la refracción, varios alumnos pueden darse la mano y avanzar juntos hacia una esquina (equivalente a un cambio de medio). Al tratar de doblarla verán que solo es posible si los alumnos del final caminan más lentamente que el resto. Para la difracción puede emplearse un haz láser sobre una hendidura formada por la separación de dos hojas muy próximas entre sí. 

ESTRUCTURA DE LA MATERIA:

• Para abordar la estructura atómica de la materia puede ser de gran interés que los estudiantes propongan su propio modelo atómico y lo usen para explicar el experimento de la lámina de oro (Geigerr-Marsden). También, que usen los modelos atómicos históricos para explicar el mismo. 

• Cuando se aborda la estructura atómica (especialmente en los primeros cursos) debe enfatizarse la idea de que el átomo es prácticamente hueco. Para ello pueden ser pertinentes algunos datos, como que si el átomo tuviese el tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería un guisante en el centro del campo y los electrones; mosquitos volando por el borde del estadio. También se puede apuntar que si se pudiesen empaquetar todos los núcleos de los átomos de nuestro cuerpo, cabrían en un grano de arena. Otro dato de interés es que si ampliásemos el tamaño de un átomo hasta conseguir que el núcleo tuviese el tamaño de una pelota de tenis, los electrones estaría a unos 10 km de la pelota. 

• Cuando el alumnado piensa en la constitución de la materia, suele pensar que las partículas que la forman cambian de tamaño por los cambios de temperatura o que, por ejemplo, se derriten cuando la materia pasa de estado sólido a líquido. También piensan que entre las partículas no hay vacío sino aire y que pueden estar en reposo absoluto. 

• Antes de introducir al alumnado en la estructura interna de los átomos, ha de emplearse un modelo basado en la teoría cinética que asume que las partículas son esféricas y que colisionan elásticamente entre sí. Posteriormente, el alumnado verá que esa primera aproximación era una simplificación, ya que no tiene en cuenta la estructura interna de los átomos y no puede explicar otros fenómenos, como los eléctricos. Se pretende así aprovechar esto como «una valiosa oportunidad para enfatizar a los chicos la naturaleza de las teorías científicas como descriptores de la realidad» (p. 78). 

• Los autores también recomiendan emplear el término "partículas" en los primeros cursos sin diferenciar entre átomos, moléculas o iones, ya que «sería demasiado fácil caer en la terminología equivocada y añadir confusión a los alumnos» (p. 78). 

• Es necesario que se explicite en el aula las distintas pruebas existentes de que la materia está hecha de partículas. Los autores proponen algunas como: el aire ocupa espacio, el aire pesa, las partículas fluyen (basta con derramar un líquido en la mesa), es posible hacer crecer cristales de distintas sustancias y existentes "fotografías" de los mismos obtenidas empleando rayos X. 

Las líneas anteriores son solo una pequeña muestra de las muchas ideas sobre enseñanza de la física que aporta el trabajo de Osborne y Freeman. Si bien algunas ideas han sido ampliadas y matizadas en los últimos años por la investigación en didáctica de las ciencias, esta obra constituye un buen sustrato sobre el que cimentar la reflexión en torno a la nada sencilla tarea de enseñar física. 

Hace ya un tiempo desde que escuché una de las máximas docentes que atesoro con más mimo: ningún profesor debería pisar el aula sin haber dedicado un tiempo a pensar qué quiere enseñar a sus estudiantes y cómo va a conseguir que lo aprendan. Si bien este tiempo puede variar en función de las muchas vicisitudes del día a día docente o de la experiencia atesorada, considero que aquel comentario resume notablemente el objetivo de la didáctica de las ciencias como área del saber en conexión con el oficio docente: lograr de la forma más eficazmente posible el aprendizaje de las ciencias. En ese viaje enseñando ciencias no estamos solos, ni hemos de partir de cero. Existen abundantes trabajos de didáctica de las ciencias experimentales que podrán dar respuesta a muchas preguntas que en nuestro día a día como docentes nos pueden surgir y que incluso podrán adelantar respuestas a preguntas insospechadas. El libro de los profesores Osborne y Freeman es un buen ejemplo de ello para una materia que no siempre es sencilla de aprender, pero de cuya enseñanza es muy fácil quedar prendado. 

Buena lectura, buen viaje.

Madrid, 30 de agosto de 2024.

ALGUNAS CITAS DE INTERÉS:

Sobre la importancia de cuidar el lenguaje científico empleado en el aula:

«Si el profesor emplea un lenguaje descuidado no debe sorprender si los alumnos no aciertan a entender estas ideas con claridad. Todas las disciplinas son un camino para el saber, y uno de los objetivos del profesor es introducir a los alumnos en el lenguaje preciso de las cosas, atribuir sentido a las palabras».

Citado por los autores en p. 14. 

Sobre la mejor forma de introducir un tema de física al alumnado: 

«Las formulaciones matemáticas escrupulosas de la física conducen inevitablemente a un aprendizaje rutinario, incluso entre los alumnos más brillantes (...). Un tratamiento cualitativo ayuda a enfocar conceptos y sus asociaciones, lo cual ha de ser el primer punto de mira de una presentación introductoria del tema (...). Un tratamiento mucho más adecuado sería combinar la introducción a la materia con una sustancial cantidad de trabajos prácticos y demostraciones además de una discusión sobre los resultados y las gráficas». 

Citado por por los autores en p. 15

Sobre la importancia de introducir las fórmulas matemáticas tras haber trabajado previamente el correspondiente concepto físico que se desea que el alumnado aprenda: 

«Inevitablemente, en este momento, los alumnos necesitan las fórmulas como unas muletas para ayudarles mientras se desarrolla el concepto y por consiguiente debemos proporcionárselas». 

Citado por los autores en p. 18.