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Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde la

enseñanza de los principios de superconductividad en grado undécimo

Luis Fernando Salinas Barreto

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de ciencias

Bogotá, Colombia

2018

Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde la



Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:

Magister en enseñanza de las ciencias naturales y exactas

Director (a):

Dr. rer. nat. John William Sandino del Busto

Línea de Investigación:

Enseñanza de las ciencias físicas

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de ciencias

Bogotá, Colombia

2018

Contenido III

.

Al universo

Por enseñarme como vivir en cada uno de los pasos de mi educación y mi formación como docente, a J. Robles quien ha estado en situaciones complicadas de mi vida dándome una nueva visión “yo sé bien que te voy a adorar toda la vida….”

Finalmente a mi asesor John Sandino quien con su paciencia y entereza pudo guiarme para la culminación de este trabajo.


IV Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica

desde la enseñanza de los principios de superconductividad en grado undécimo

Agradecimientos

Agradezco puntualmente a la Dirección Nacional de Innovación académica de la Universidad Nacional de Colombia quien apoyo el material didáctico con el que se logró llevar a cabo este importante trabajo

A la rectora Sor Iris Raquel Gonzales Pinzón y al Colegio Nuestra Señora del Rosario Funza quienes con mucha paciencia me permitieron llevar a cabo todas las actividades con el desarrollo de este proyecto.

A mis familiares, quienes en algún momento de sus vidas pudieron aportar de manera directa o indirecta en la realización de este trabajo que hace parte de mi proyecto de vida.

Resumen y Abstract V

Resumen

Se diseñó e implementó una estrategia didáctica para la enseñanza de los principios básicos de la superconductividad, esta se aplicó a estudiantes de grado undécimo del Colegio Nuestra señora del Rosario de Funza. Se propuso abarcar temáticas referidas a termodinámica y electromagnetismo. Cabe resaltar que las estudiantes tenían conocimiento previo de las temáticas mencionadas de acuerdo al contenido curricular. El trabajo propuesto se centró en los aspectos macroscópicos y microscópicos del estado superconductor, donde se abarcaron conceptos como corriente, magnetismo, densidad de corriente y temperatura crítica. Para ello se diseñó un material (cartilla) que incluyó una secuencia didáctica (introducción, socialización, revisión de conceptos previos, conceptualización, aprendizaje de nuevos conceptos, implementación de analogías, experimentación, aprendizaje en contexto, actividades de lectura, y evaluación de la estrategia). Los resultados a partir del análisis de los tests realizados mostraron una mejora en los desempeños y las competencias en ciencias que se abordaron, así mismo se desarrollaron habilidades experimentales. Adicionalmente se realizó una actividad audiovisual basada en analogías con el apoyo de la Dirección Nacional de Innovación Académica, este material didáctico consiste en dos videos que abarcan los fenómenos microscópicos y macroscópicos del estado superconductor, la finalidad es que otros docentes puedan utilizarlo en los procesos de enseñanza y aprendizaje de las temáticas referidas usando como apoyo el material que se diseñó.

Palabras clave: (Enseñanza, Superconductividad, Analogías).

VI Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica


Abstract

This project was designed and implemented a didactic strategy for teach superconductivity Basic principles , this was applied to Colegio Nuestra señora del Rosario in Funza in 11th grade. It was proposed to cover issues relating to thermodynamics and electromagnetism. It should be noted that the students had already previously worked the mentioned thematic according to the curriculum content, the intention was to resume finishing the school year o by way of deepening. The proposed work focused on the macroscopic and microscopic aspects of a superconductor, which covered concepts such as current, magnetism, current density, critical temperature. This was designed a material (catalog) that includes didactic sequence (introduction, socialization and check previous concepts, conceptualization, learning new concepts, proposal and analogies , experimentation, transcending the lessons learned, reading activities, and strategy evaluation), The results from the tests carried out showed a performances improvement in science concepts in that were wanted to be focus, likewise they developed skills, experimental aspects and an audiovisual activity was carried out based on Analogies with the support of the National Directorate of Academic Innovation, this didactic material have two videos that show the microscopic and macroscopic superconducting phenomena. This videos will help to other teachers to improve the process to teach this concepts.

Keywords: (Teaching, Superconductivity, Analogy)

Contenido VII

Contenido

Pág.

Resumen .......................................................................................................................... V

Lista de figuras ............................................................................................................... IX

Introducción ................................................................................................................... 11

1. OBJETIVOS ............................................................................................................. 13 1.1 Objetivo general: ............................................................................................ 13 1.2 Objetivos específicos ..................................................................................... 13

2. Estudio bibliométrico y cienciometrico acerca de la enseñanza de la superconductividad ...................................................................................................... 14

2.1 Análisis en SCOPUS ..................................................................................... 14 2.1.1 Primer caso ......................................................................................... 16 2.1.2 Segundo Caso .................................................................................... 17

2.2 Análisis en Web Of Science (WoS) ................................................................ 17

3. Marco teórico .......................................................................................................... 19 3.1 Desde la física ............................................................................................... 19

3.1.1 Termodinámica ................................................................................... 19 3.1.2 Electromagnetismo .............................................................................. 21 3.1.3 Superconductividad ............................................................................. 23

3.2 Didáctica de las ciencias ................................................................................ 26 3.2.1 Analogías en la ciencia........................................................................ 27 3.2.2 Experimentación en el aula ................................................................. 28 3.2.3 Uso de tics .......................................................................................... 29 3.2.4 Estrategias Didácticas ......................................................................... 30

3.3 Alfabetización científica.................................................................................. 31 3.3.1 Ciencia para la sociedad ..................................................................... 33 3.3.2 Divulgación científica ........................................................................... 33 3.3.3 Actualización curricular........................................................................ 34

4. Marco Metodológico ............................................................................................... 35 4.1 Organización metodológica ............................................................................ 38

4.1.1 Módulo orientador ............................................................................... 38 4.2 Sesión de aprendizaje activo ......................................................................... 39 4.3 Actividad experimental ................................................................................... 41

5. Implementación y resultados ................................................................................ 44 5.1 Aplicación ...................................................................................................... 44

5.1.1 Sesión de aprendizaje activo .............................................................. 44 5.1.2 Aplicación Sesión Experimental .......................................................... 48

5.2 Resultados de la estrategia ............................................................................ 49

6. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................ 52 6.1 Conclusiones ................................................................................................. 52

VIII Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde la


6.2 Recomendaciones ......................................................................................... 53

A. Anexo: Cartilla para la enseñanza de la superconductividad ............................. 54

Bibliografía..................................................................................................................... 69

B. Guiones de videos.................................................................................................. 71

C. Pretest ..................................................................................................................... 82

D. Postest .................................................................................................................... 84

Bibliografía..................................................................................................................... 85

Contenido IX

Lista de figuras

Pág.

Figura 1 Análisis de documentos comparado por país; fuente SCOPUS. ....... 15

Figura 2 Análisis documentos emitidos por institución; fuente SCOPUS. ....... 15

Figura 3 Análisis documentos emitidos por áreas; fuente SCOPUS. ............... 16

Figura 4 Publicación de elementos por año; fuente WOS. ............................... 18

Figura 5 Citas recibidas de artículos encontrados; fuente WOS. ..................... 18

Figura 6 Referencia de cero absoluto escala Kelvin (Giancoli, 2004) ............ 20

Figura 7 Sistema que absorbe o cede calor (Wikifile, 2015.) .......................... 21

Figura 8 Representación del movimiento de las cargas en un conductor

(Wikimedia Commons, 2014) ........................................................................... 22

Figura 9 Representación de las líneas de campo en un material magnético

“imán” (Wikimedia Commons, 2017) ............................................................... 23

Figura 10 Avance de la temperatura crítica en el tiempo (Parra, 2006) .......... 24

Figura 11 Diagrama de fase de los superconductores (Navacerrada, 1993)... 26

Figura 12 modelos y analogías según (Duit 1991) ........................................... 28

Figura 13. Generalidades para el alcance de la alfabetización científica según

(Salinas Luis, 2014) ......................................................................................... 32

Figura 14 Ciencia y tecnología como actividades sociales según (Lopez A,

2004) ............................................................................................................... 33

Figura 15 Malla curricular de la asignatura de física para el año 2017 en el

colegio nuestra señora del Rosario Funza ....................................................... 36

Figura 16 Plan modular de física tercer periodo grado undécimo año 2017 ..... 37

Figura 17 Plan modular de física cuarto periodo grado undécimo año 2017 .... 37

Figura 18 Esquema de organización de la estrategia didáctica para abarcar

conceptos de termodinámica y electromagnetismo a través de la enseñanza de

principios básicos de superconductividad. ....................................................... 38

Figura 19 montaje experimental sección de manguera con mercurio .............. 42

Figura 20. Toma de datos en el termocupla ..................................................... 42

Figura 21 Estudiantes en la filmación de la analogía del teatro -fotografía

tomada en el teatro del colegio nuestra señora del rosario Funza 2017 con

autorización de los acudientes. ........................................................................ 45

Figura 22 estudiantes en la filmación de la analogía del teatro (fotografía

tomada maizal municipio de Subachoque 2017 con autorización de los

acudientes). ..................................................................................................... 47

Figura 23 Estudiantes en la implementación experimental llevada a cabo en las

instalaciones del colegio Nuestra señora del Rosario Funza ........................... 48

Figura 24 Variación de la resistencia para diferentes temperaturas ................ 48

Figura 25 Puntajes obtenidos en el pretest en función de la cantidad de

estudiantes por nota obtenida.......................................................................... 49

X Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde la


Figura 26 Puntajes obtenidos en el postest en función de la cantidad de

estudiantes por nota obtenida ......................................................................... 50

Figura 27 Gráfico para porcentaje de estudiantes que aprobaron el postest ... 51

Figura 28 Gráfica de resultados en comparación de los tests aplicados a un

grupo de 64 estudiantes .................................................................................. 51

TABLAS

Tabla 1 Intensidad de horas por asignaturas y distribuciones semestrales. ..... 35

Tabla 2. Datos experimentales ........................................................................ 42

Tabla 3 Frecuencias en la puntuación para un total de 64 estudiantes Pretest 49

Tabla 4 Frecuencias en la puntuación para un total de 64 estudiantes Postest50

Introducción

El descubrimiento de la superconductividad comenzó cuando en un laboratorio el físico neerlandés Heikke Onnes (1853 - 1926) en la primera década del siglo XX, logro experimentar con metales a bajas temperaturas, ya que había logrado la licuefacción del Helio, esto le permitió evidenciar cómo el mercurio reducía su resistividad con la reducción de la temperatura a la que estaba expuesto, gracias a este descubrimiento recibió el premio nobel en el año de 1913. A pesar de que el fenómeno era interesante no pudo ser explicado teóricamente sino 60 años después por los científicos John Bardeen (1908 - 1991), Leon Cooper (Nueva York -1930), y John Robert Schrieffer (EUA - 1931), quienes en conjunto y gracias a 20 años de investigación pudieron proponer la teoría conjunta BCS que explica el comportamiento a nivel atómico de los electrones en un material superconductor, y explican el comportamiento de los electrones a través de la definición de los pares de Cooper. (Navacerrada, 1993).

Desde la década de los años 80 el estudio y desarrollo de la superconductividad ha generado una cadena de aplicaciones tecnológicas como la levitación magnética, los trenes Maglev, los supercolisionadores de partículas, y la resonancia magnética entre otras; es así como los científicos buscan con esperanza la manera de poder llegar a superconductores cuya temperatura crítica se acerque a la temperatura ambiente, esto ha generado una importante línea de investigación relacionada con el fenómeno superconductor. Todos los avances en este campo generan curiosidad e interés en la ciencia de los superconductores. Existe actualmente un gran compromiso por parte de la sociedad académica el cual está relacionado con la alfabetización científica en general (Vázquez, Acevedo, & Manassero, 2003) y en este caso específico, desde este punto de vista, la fenomenología superconductora puede ser un tema de interés para la educación media.

Un problema que se puede identificar en la enseñanza de la superconductividad es que no tiene un análogo directo (Ihas & Meisel, 1990), el cual permita precisar las diferentes magnitudes y sus relaciones que acontecen en el superconductor y demuestren las propiedades que lo caracterizan. Desde este punto de vista es difícil para un docente explicar la fenomenología superconductora utilizando ejemplos directos, adicionalmente se enfrenta a una situación particular, ya que requiere en muchas ocasiones que el estudiantado posea un conocimiento previo de los conceptos básicos referidos a temáticas como electromagnetismo, campo eléctrico y magnético, calor y temperatura.

En la actualidad en los procesos de enseñanza y aprendizaje es necesario implementar estrategias para la explicación de las temáticas que se quieren desarrollar. Desde este punto de vista los docentes tienen la tarea de indagar si existe una táctica pedagógica que permita implementar algunos procesos

12 Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica


relacionados con la didáctica de las ciencias en la enseñanza de la fenomenología de la superconductividad, ya que como lo afirma Ihas & Meisel, (1990) “Hoy, la comunidad de la física tiene una responsabilidad cada vez más elevada para explicar los principios básicos de la superconductividad a una gran audiencia y diversa” teniendo en cuenta esta responsabilidad y la alta demanda de investigación en el campo de los nuevos materiales superconductores, se requiere evaluar las estrategias propuestas para llevar a cabo el proceso de enseñanza – aprendizaje indispensable para que los conceptos fundamentales necesarios para el estudio de la superconductividad y el análisis profundo que requiere la visión macroscópica y microscópica de la materia, se puedan explicar de una manera práctica y eficiente.

La primera dificultad se presenta en el conocimiento previo que se requiere por parte de los estudiantes a quienes se les explicara el fenómeno. Desde el punto de vista educativo se dice que para llevar a cabo un proceso de aprendizaje se debe empezar desde lo básico y luego avanzar paso a paso aumentando la dificultad pero interrelacionado los contenidos, para esto normalmente se sigue una secuencia didáctica, como lo menciona (Pimienta Prieto 2012) “Las estrategias para indagar en los conocimientos previos contribuyen a iniciar las actividades en secuencia didáctica” sin embargo en muchas ocasiones los aprendices no poseen conocimiento previo de los contenidos básicos o no lo recuerdan, por esto es que se hace necesario implementar un aprendizaje más eficiente, el cual se base en reconocer los conceptos básicos a través de representaciones analógicas, que de la misma manera estén relacionados con la vida cotidiana, así como lo menciona (Gardner & Walters 1993), es posible realizar enfoques múltiples sobre el entendimiento, a partir de las experiencias previas contextuales de cada ser humano. Desde esta perspectiva es posible realizar un proceso de enseñanza-aprendizaje empezando desde conocimientos previos para luego relacionarlos con nuevo conocimiento científico.

Un estudio de caso se realizó en el colegio nuestra señora del rosario ubicado en el municipio de Funza, donde a través de una propuesta didáctica se llevó a cabo el proyecto para poder relacionar temas curriculares correspondientes a grado décimo y undécimo con la enseñanza de la superconductividad para nivel escolar de la media. En el desarrollo de este trabajo se mostrará la implementación de esta estrategia didáctica a través del uso de las analogías para el aprendizaje de conceptos de electromagnetismo y termodinámica trabajando conceptos generales de la superconductividad, esto fue posible siguiendo estrategias metodológicas presentadas en este documento donde la enseñanza activa es pieza fundamental para su desarrollo. En este caso puntual la implementación de la estrategia, acompañado de la elaboración de material audiovisual, y de una cartilla como guía, fueron fundamentales para la correcta implementación de la propuesta y la consecución de los objetivos propuestos.

Capítulo 1 13

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo general:

Diseñar una estrategia didáctica que permita enseñar la fenomenología macroscópica y microscópica de la superconductividad como una extensión del electromagnetismo y la termodinámica en estudiantes de grado 11.

1.2 Objetivos específicos

a. Indagar acerca de las estrategias de enseñanza y aprendizaje de la superconductividad.

b. Hacer una evaluación de los conocimientos previos de los estudiantes acerca de los temas relacionados con electromagnetismo y termodinámica.

c. Definir aspectos teóricos del electromagnetismo la termodinámica y la superconductividad, desde el punto de vista histórico, epistemológico y tecnológico.

d. Construir una cartilla con orientación de secuencia didáctica para abarcar las generalidades de la superconductividad con el fin de orientar el trabajo en el aula.

e. Diseñar una serie actividades experimentales para la enseñanza del concepto de superconductividad aplicando la relación de variables electromagnéticas y térmicas involucradas.

f. Realizar sesiones de aprendizaje participativo e inclusivo donde se lleven a cabo dos experiencias audiovisuales con analogías aplicadas a la enseñanza de la superconductividad, con el fin de explicar la visión macroscópica y la microscópica que actualmente se tiene.

g. Validar la estrategia implementada y realizar los ajustes requeridos.



2. Estudio bibliométrico y cienciometrico acerca de la enseñanza de la superconductividad

Este capítulo muestra un estudio que se realizó a profundidad para analizar desde el campo de la bibliometría, cuantos aportes se han realizado en la comunidad científica relacionados con la enseñanza de la superconductividad, para esto con herramientas cienciométricas y bibliométricas basadas en software de análisis mostraremos cuales son los principales aportes, en qué región se concentran estos, cuales son las mayores fuentes y si el tema realmente es relevante a nivel educativo.(L. Salinas, 2016)

2.1 Análisis en SCOPUS1

Para usar esta herramienta procedemos inicialmente a realizar un sondeo colocando las palabras claves de interés en la interfaz de buscador, en este caso es “enseñanza y superconductividad”, luego de observar el sondeo principal procedemos a buscar en la base de datos SCOPUS utilizando los filtros para ser más específicos.

La primera publicación se realizó en el año 1964 en ella se invitaba a la comunidad científica a involucrarse en los nuevos campos del saber en este caso “la superconductividad”, así mismo establecían algunos parámetros para la realización de los artículos pertinentes para tal fin. Esta primera publicación no presenta citas, y junto con la siguiente publicación de 1970, son documentos orientadores con temáticas generalizadas de la superconductividad destinados a guiar a la comunidad científica con acceso a esta información. El segundo artículo presenta 78 reseñas, la mayoría está guiada por la teoría de la superconductividad, el efecto Meissner y el efecto del campo magnético en la superconductividad, todas estas reseñas son hechas en Europa y EEUU. En el siguiente análisis se puede evidenciar que existen dos autores que realizaron dos o más artículos o referencias, entre ellos se encuentra (Joyce & Richards, 1970). Autor de los dos primeros artículos antes mencionados entre el año 1964 a 1970, su producción generó una cita, realizada por él mismo en el año 1970. El siguiente autor que llama la atención es “Peter Martin” el cuál cuenta con 2756 citas desde 1994 hasta 2016, los artículos con mayores citas están relacionados con el

1 Scopus es una base de datos bibliográfica de resúmenes y citas de artículos de revistas

científicas. Cubre aproximadamente 18.000 títulos de más de 5.000 editores internacionales, incluyendo la cobertura de 16.500 revistas revisadas por pares de las áreas de ciencias, tecnología, medicina y ciencias sociales, incluyendo artes y humanidades.

Capítulo 1 15

análisis de nuevos materiales superconductores lo más destacado tiene que ver con la superficie de fermi. Este autor es el más relevante en lo concerniente a la superconductividad de los nuevos materiales y a la gran capacidad de producción científica relacionada con la superconductividad.

En el siguiente análisis se verificaron los documentos por país mostrando la gráfica “ver figura 1” los 10 primeros países.

Figura 1 Análisis de documentos comparado por país en los últimos 20 años; fuente SCOPUS.

Sin lugar a dudas este análisis nos pone en el contexto del desarrollo científico de las últimas décadas, igualmente es evidente que Estados Unidos y Alemania han estado a la vanguardia de los descubrimientos de los fenómenos electromagnéticos, la hipótesis que se plantea por el momento es que la base de datos consultada no incluye la indexación de artículos rusos y asiáticos, esto puede ser en una parte o segmento temporal; para hacernos más a la idea de las emisiones o las fuentes de la publicación analizaremos el grafico siguiente Ver Figura 2.

Figura 2 Análisis documentos emitidos por institución; fuente SCOPUS.



En este grafico podemos encontrar en los tres primeros lugares instituciones de Europa y Estados Unidos, lo que nos confirma grosso modo que la enseñanza de la superconductividad tuvo lugar en ambientes académicos europeos y americanos, adicionalmente y realizando una revisión minuciosa se encontró que la Universidad de Illinois tiene una trascendencia en la emisión de artículos de carácter educativo relacionado con la superconductividad y su enseñanza, con la ingeniería de los nuevos materiales, y su estudio en la aplicación de nuevas superficies.

En el siguiente análisis revisaremos la trazabilidad de los caracteres de investigación por cada una de las áreas Ver figura 3.

Figura 3 Análisis documentos emitidos por áreas; fuente SCOPUS.

En la gráfica podemos encontrar que el mayor campo de aplicación de la enseñanza de la superconductividad tiene que ver con la física teórica y aplicada, con las ciencias de los materiales como lo mencionábamos anteriormente, seguido por la ingeniería, en este análisis llaman la atención los estudios relacionados con las áreas multidisciplinares, en estos dos casos me detuve para realizar un análisis a fondo.

2.1.1 Primer caso

Multidisciplinar, se trata de un artículo llamado “Soil mechanics: Breaking ground” autor Einav I School of Civil Engineering, University of Sydney, Sydney, (Einav, 2007) está basado en el aprendizaje practico o cambio de parámetros de estructuras solidas requeridas para fabricar materiales para uso en suelos, inicialmente a los estudiantes se les indicaba la estructura teórica del material los cuales son llamados granos, luego a través de un software se les permite evidenciar el equilibrio energético del material para poder crear materiales virtuales y así al final poderlos crear a través del procedimiento requerido. Este artículo me parece interesante por la practicidad que aplican en la enseñanza de la técnica refiriéndose específicamente a la aplicación o virtualización del material

Capítulo 1 17

a través del software, sin embargo no es trascendente para la enseñanza de la superconductividad.

2.1.2 Segundo Caso

En el segundo caso que son los artículos relacionados con las ciencias multidisciplinares, encontré uno muy interesante llamado “Preparing teachers to discuss superconductivity at high school level: A didactical approach” (Ferreira, 2006).

Se presenta una introducción a la superconductividad que está destinada a apoyar la enseñanza y el aprendizaje de esta materia a un nivel de escuela secundaria, este artículo es el que está más involucrado con la enseñanza de la superconductividad, al revisar el articulo encontré que ha sido citado tres veces, dos de ellas en el año 2015, en estos artículos encontré el diseño de actividades experimentales llevadas a cabo para la enseñanza de la superconductividad a nivel educativo básico y superior en Corea del Sur e Italia, estos recientes artículos son muy importantes para mi investigación ya que indican claramente que en la enseñanza de la física se buscan siempre estrategias actuales que estén de la mano con las nuevas tecnologías y el uso de las TICS en el aula.

2.2 Análisis en Web Of Science (WoS)2

Se realizó una búsqueda similar en la plataforma Web of Science utilizando referencia teaching superconductivity, encontrando así 11 resultados del 2004 al 2014, de los artículos encontrados en SCOPUS encontré dos coincidencias no relacionadas con la enseñanza de la superconductividad.

En el primer análisis revisamos de los 11 elementos encontrados como han sido publicados por año. Ver figura 4.

2 Web of Science es un servicio en línea de información científica, suministrado por Thomson

Reuters, integrado en ISI Web of Knowledge, WoK. Facilita el acceso a un conjunto de bases de datos en las que aparecen citas de artículos de revistas científicas, libros y otros tipos de material impreso que abarcan todos los campos del conocimiento académico.



Figura 4 Publicación de elementos por año; fuente WOS.

En esta grafica se puede evidenciar que a pesar que no son muchos los artículos referenciados correspondientes a la enseñanza de la superconductividad o relacionados se mantienen publicaciones en la actualidad, sin embargo, parece ser un campo poco explorado.

En la siguiente grafica (figura 5) se encuentran relacionadas las citas que han recibido los artículos mencionados anteriormente en los últimos 20 años.

Figura 5 Citas recibidas de artículos encontrados; fuente WOS.

En la gráfica mostrada se puede evidenciar que existe una tendencia al crecimiento en la temática abordada, al igual que la información encontrada en SCOPUS, en WOS se puede constatar que existe interés particular en la enseñanza de la superconductividad para fines prácticos, ya sea por la necesidad innata de involucrar la tecnología en la educación o por innovar en esta. Por esto es importante involucrar estrategias didácticas y pedagógicas para la enseñanza de las últimas tendencias de investigación en las diferentes ramas de la física, esto puede llegar a contribuir a la alfabetización científica en el área de la física.

3. Marco teórico

Es necesario establecer los referentes los cuales fundamentaran teórica y conceptualmente el desarrollo de las temáticas que se desean trabajar, en este aparte incluimos aquellos aspectos científicos, epistemológicos y pedagógicos fundamentales para la consecución de la propuesta didáctica.

3.1 Desde la física

La física es una rama de estudio de las ciencias naturales y exactas que permite describir la gran mayoría de interacciones entre materia y energía teniendo muy presente los principios de conservación; en Colombia a nivel escolar la física existe como asignatura al nivel de secundaria- básica y media-, los conceptos que tendremos en cuenta para el desarrollo de este trabajo los describiremos a continuación:

3.1.1 Termodinámica

“La termodinámica, como todas las otras ramas de la física, estudia los sistemas y su interacción con el medio” (Pérez, 1997). La interacción con el medio es una fenomenología que se debe abordar para entender el comportamiento de la materia, es así como la termodinámica describe a nivel microscópico los diferentes estados relacionados con el equilibrio térmico, la transferencia de energía en forma de calor y el trabajo generado por esta última. Es por esto que los conceptos abordados en esta sección son necesarios para la comprensión de los principios básicos de la superconductividad, los conceptos se enuncian a continuación:

Temperatura

En la vida cotidiana, la temperatura es una medida que indica que tan caliente o que tan frio esta un cuerpo. Por ejemplo se dice que el sol está caliente es decir que está a alta temperatura, mientras el hielo para las bebidas esta frio porque tienen baja temperatura. Microscópicamente la temperatura es la energía cinética promedio de las partículas o moléculas de un cuerpo, es decir a mayor temperatura mayor energía cinética promedio y viceversa. (Giancoli, 2004)

Cero absoluto

La noción de cero absoluto vino inicialmente de la interpretación grafica Volumen en función de la temperatura, la cual se dio al empezar a

20 Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde la


trabajar con la licuefacción de los gases a bajas temperaturas, es así como la gráfica no se puede extender por abajo del punto de licuefacción. No obstante la gráfica es en esencia una línea recta que si se le proyecta a bajas temperaturas como se hace con la línea punteada de que se muestra en la (figura 6), donde esta cruza el eje a -273°C. Se podría argumentar que -273°C es la temperatura más baja posible; de hecho muchos otros experimentos recientes indican que esto es así. A esta temperatura se le llama cero absoluto. Se ha determinado que su valor es -273,15°C (Giancoli, 2004)

Figura 6 Referencia de cero absoluto escala Kelvin (Giancoli, 2004)

Otra visión del cero absoluto es lo que interpreta la definición de temperatura, teniendo presente que se refiere a la “agitación” de las moléculas debido a la energía cinética promedio, teniendo en cuenta esto el cero absoluto se puede interpretar como la “agitación” nula de las moléculas.

Equilibrio térmico

Se entiende equilibro en un sentido “común” como cuando pensamos en una balanza, para que esta balanza este en equilibrio es necesario que en ambos lados de esta haya la misma cantidad de masa, continuando con esta noción, el equilibrio térmico se refiere específicamente a cuando dos cuerpos que están en contacto se encuentran a la misma temperatura independientemente de su masa, desde este punto de vista si dos cuerpos tienen diferente temperatura llegarán al equilibrio térmico, si un cuerpo cede calor Q (saliente), o absorbe calor Q (entrante) como se evidencia en la figura 7.

21

Figura 7 Sistema que absorbe o cede calor (Wikifile, 2015.)

En este caso se hace necesario, realizar actividades que conduzcan a la construcción del concepto de equilibrio térmico, como punto de partida para lograr la diferenciación de los conceptos de calor y temperatura (Cardenas & Lozano, n.d.), teniendo en cuenta que relaciona dos conceptos fundamentales en el estudio de variables relacionadas con la termodinámica.

3.1.2 Electromagnetismo

Esta rama de la física está dedicada a los fenómenos eléctricos y magnéticos, con relación a las interacciones entre cargas y campos, y los fenómenos que se generan por estas interacciones, históricamente tuvieron que pasar muchas décadas para que se pudiera determinar la relación que existía entre la electricidad y el magnetismo, importantes trabajos de los físicos de comienzo del siglo XX llevaron a cabo estudios y experimentos que permitieron profundizar los fenómenos electromagnéticos; en definición el electromagnetismo es el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos causados por cargas eléctricas en movimiento o en reposo (Kraus, 1960).

Carga Eléctrica, corriente y resistencia eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad física de algunas partículas subatómicas que se revela mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, causante de ellos. Luego imaginemos que estas cantidades llamadas cargas se pueden mover a través de un material llamado conductor, entonces la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un determinado conductor eléctrico durante determinado lapso de tiempo es llamada corriente eléctrica (figura 8), sin embargo en algunos materiales puede presentar dificultad para el movimiento de la carga eléctrica atenuando o frenando



el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones a esta dificultad se le conoce como resistencia eléctrica. (García Olmedo, 2005)

Figura 8 Representación del movimiento de las cargas en un conductor (Wikimedia Commons, 2014) cargas positivas superior, cargas negativas inferior.

Efecto Joule

El efecto joule está relacionado con la energía, cuando por un conductor pasan electrones estos llevan energía cinética, algunos de estos al colisionar en la red que forman los átomos del conductor generan calor, este calor generado es un efecto irreversible, entonces por un conductor que pasa corriente eléctrica suele haber un aumento de temperatura, este aumento es debido a la colisión mencionada. A este fenómeno se le conoce como el efecto joule (Hincapié, Trejos, Moncada, & Escobar, 2013).

Magnetismo

“El termino magnetismo proviene de magnesia, una provincia de Grecia, donde fueron encontradas ciertas piedras hace más de 2000 años. Esas piedras se llamaron piedras imán” (Hewitt, 1999) la característica principal de estas piedras era de atraer metales o materiales ferrosos, se usaron estas piedras para fabricar brújulas sobre todo en la navegación, después de unos años se determinó que un ente magnético tiene dos polos, los polos caracterizan un campo magnético (Figura 9), el cual se encuentra alrededor de un material que posee la propiedad de atraer metales es decir es magnético. “Los temas de magnetismo y electricidad se desarrollaron de forma casi independiente” (Hewitt, 1999); fue solo a principios del siglo XIX donde el danés H. Oersted en una de sus particulares demostraciones determino que una corriente eléctrica puede afectar una brújula, esto dio inicio a la relación entre la electricidad y el magnetismo que quedaría sintetizada con las ecuaciones propuestas por Maxwell por el año de 1873.

Las interacciones magnéticas son fundamentales en nuestro planeta, prueba de ello es la función principal del campo magnético terrestre, la cual contempla la protección de las ráfagas de viento solar, las cuales

23

con su inmensa radiación tienen la capacidad de destruir nuestra actual tecnología.

Figura 9 Representación de las líneas de campo en un material magnético “imán” (Wikimedia Commons, 2017)

3.1.3 Superconductividad

Los antecedentes de la superconductividad se sitúan dentro de la problemática del siglo XIX, lo cual fue un periodo enmarcado por la revolución francesa y el posterior inicio de la primera guerra mundial, Joule logro hacer experimentos con los cuales pudo determinar la diferencia entre calor y temperatura, este descubrimiento tendría un importante énfasis en el desarrollo de la física de materiales, los físicos por el año de 1802, estaban intentando trabajar arduamente en la licuefacción de los gases, proceso por el cual un gas puede pasar de estado gaseoso a estado líquido, Gay Lussac fue uno de los primeros en proponer esta posibilidad, y adicionalmente contempló la medida del cero absoluta explicada anteriormente, hacia el año de 1848, W. Thomson demostró que la energía cinética de las partículas que componen un gas descienden de manera constante en función de la temperatura; uno de los primeros físicos que entro en la escena de la superconductividad fue Heike Onnes quien hacia marzo de 1908 sometió el helio a una compresión de unas 100 atmósferas bajo un refrigerante de hidrógeno líquido con una descompresión de Joule Thomson. No convencido con su hazaña el medidor de la temperatura no descendió más, y aún incrédulo pudo encontrar dentro de aparato licuefactor el helio líquido, el gas a más baja temperatura logrado en la historia. Se considera en la literatura que la superconductividad nació en esta fecha, puesto que esto le valdría al señor Onnes el premio nobel por el descubrimiento de la superconductividad, ya que después en su laboratorio personal con gases a bajas temperatura él empezaría a hacer experimentos observando la reducción de la resistencia eléctrica



al paso de la corriente en un conductor. En este caso se usó el mercurio, es así que descubrió que el mercurio sometido a una temperatura cercana a 4K se convierte en un superconductor, es decir presento una resistencia nula (no la podía medir) al paso de corriente. (Parra, 2006).

Temperatura Crítica.

La temperatura crítica Tc, es la temperatura por debajo de la cual el material es superconductor. En los avances de la superconductividad se hizo indispensable empezar a trabajar con diferentes materiales para que la temperatura crítica fuera ascendiendo hacia una temperatura más fácil de obtener (cercano a la temperatura ambiente), recordemos que el logro de Onnes con respecto al helio liquido (licuefacción cercana al cero absoluto) era y es en la actualidad un proceso que representa mucho gasto de energía y per se un enorme gasto de capital.

El progreso vino y trajo materiales más accesibles que tienen una temperatura crítica hasta de 160 K (figura 10). Hoy en día los científicos trabajan en la creación de materiales que estén por encima de este rango.

Figura 10 Avance de la temperatura crítica en el tiempo (Parra, 2006), 138K es la temperatura critica de materiales superconductores Bajo Presión.

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Campo Magnético Crítico

El campo magnético que interactúa con un superconductor puede generar fenómenos interesantes como el efecto Meissner3, este fenómeno muy interesante a propósito permite observar la levitación magnética.

Un campo magnético critico es el campo hace que un material pase del estado superconductor al estado conductor ver figura 11, en este caso un campo magnético muy intenso puede afectar el estado de conductividad del material, sin embargo es importante aclarar que no es un requisito que un campo magnético este interactuando con el material superconductor, como si lo es la temperatura, es decir que un material puede ser superconductor sin estar sometido a un campo magnético.

3 Los superconductores de tipo I expulsan los campos magnéticos. Este fenómeno se

denomina efecto Meissner. El efecto Meissner es una propiedad de los superconductores tan importante como la resistencia nula. La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes superficiales en el superconductor que crean un campo magnético igual y opuesto al campo externo. Los superconductores de tipo II también presentan el efecto Meissner con campos magnéticos pequeños pero cuando el campo magnético supera una determinada magnitud permiten que el campo lo penetre parcialmente formando vórtices. (Zee, 2010)



Figura 11 Diagrama de fase de los superconductores (Navacerrada, 1993)

Pares de Cooper

Para poder explicar cómo pueden los electrones pasar por un material superconductor sin generar resistencia a su paso los científicos John Bardeen (1908 - 1991), Leon Cooper (Nueva York -1930), y John Robert Schrieffer (EUA – 1931) dedujeron este comportamiento microscópico a través de los pares de Cooper. Estos están formados por un par de electrones, los electrones de los pares de Cooper de la teoría BCS pueden formarse proveyendo una pequeña atracción entre ellos, al formar una esfera con velocidades opuestas y espines opuestos para cumplir el principio de exclusión de Pauli4. Uno de los grandes logros de la teoría BCS fue la derivación del gap superconductor5 que es la energía necesaria para romper un par de Cooper.

3.2 Didáctica de las ciencias

En la enseñanza de las ciencias naturales hay actualmente varias discusiones y perspectivas, hoy en día es un reto para los educadores establecer estrategias innovadoras que permitan al estudiantado no solamente aprender aspectos relevantes de la ciencia como conceptos y relaciones si no que su conocimiento se aferre, de tal manera que esto le permita comprender el mundo natural que lo rodea. De hecho la didáctica de las ciencias se ha desarrollado con ímpetu en las dos últimas décadas con clara inspiración teórica, integrando en sus investigaciones desde los elementos conceptuales a los afectivos (Gil-Pérez, 1993); desde este punto de vista es importante tener en cuenta referentes teóricos relacionados con las estrategias didácticas que se aplican en la enseñanza de las ciencias naturales las cuales fueron relevantes para este trabajo.

4 Principio de Exclusión de Pauli

Dos electrones en un átomo no pueden tener idéntico número cuántico. Este es un ejemplo de un principio general que se aplica no sólo a los electrones, sino también a otras partículas de espín medio-entero (fermiones). No se aplica a partículas de espín entero (bosones). 5 El gap superconductor es una de las derivaciones más importantes de la teoría BCS y

se ha medido con numerosas técnicas tales como STM (Scanning Tunnelling Microscope en inglés y microscopio de efecto túnel en español). Proviene de la función de onda de los pares de Cooper que tiene una energía asociada denominada gap y se corresponde con la energía necesaria para romper un par de Cooper.

https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/?page_id=63




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3.2.1 Analogías en la ciencia

En muchos contextos de la enseñanza se usan ejemplos para poder dar una demostración en contexto de lo que se desea explicar, un caso particular son las analogías, las cuales permiten de cierta manera acercar al estudiante a una visión o perspectiva más real, sin embargo existen muchas discusiones acerca del uso de las analogías en los procesos de enseñanza y aprendizaje, la idea puntal de una analogía es que exista una semejanza entre el concepto o idea que se quiere explicar y un símil que le da una representación significativa, la analogía en la ciencia sirve para modelar puesto que “En la epistemología, la noción de modelo científico ha estado desde siempre estrechamente ligada a la de teoría. Sin embargo, en los últimos años asistimos a un cambio importante en la visión disciplinar de las relaciones entre una y otra entidad” (Galagovsky & Adúriz-Bravo, 2001), desde esta perspectiva el uso de la analogía se ha optimizado para generar mejores procesos de enseñanza y aprendizaje como lo menciona (Oliva-Martínez, Aragón-Méndez, Bonat, & Mateo Sánchez, 2001), consideramos que su empleo juega un papel importante en la enseñanza y aprendizaje de las ciencias.

Uso

En las ciencias naturales las analogías se usan principalmente para explicar conceptos o apartes teóricos que no son tan consecuentes, accesibles o poco demostrables puesto que las analogías son comparaciones entre dominios de conocimiento que mantienen una cierta relación de semejanza entre sí. (Oliva-Martínez et al., 2001), esto les da el carácter de herramienta didáctica, pero su buen uso depende de algunos factures como 1) que el elemento análogo sea suficientemente familiar y no tan complejo, 2) la analogía debe presentarse como algo evidente y de convicción real para el estudiantado 3) La analogía siempre debe conservar la estructura de herramienta para la construcción de un modelo científico ver figura 12.



Figura 12 modelos y analogías según (Duit 1991)

Aplicación

La aplicación de las analogías debe destinarse a sucesos concretos, en el caso de las ciencias son representaciones científicas orientadas a modelos, que usa la analogía como herramienta didáctica para la comprensión, para la correcta aplicación de la analogía es necesario decodificar la información que se desea trabajar, realizar una representación previa, interpretar los alcances que se quieren tener de la analogía, la aplicación para la que se desea y conocer sus limitaciones (Felipe, Gallarreta, & Merino, 2006).

3.2.2 Experimentación en el aula

Las ciencias naturales están íntimamente ligadas al experimento, es decir sus manifestaciones, teorías y conceptos están ligados a demostraciones fácticas, desde este punto de vista el experimento para la enseñanza de las ciencias naturales es un elemento de carácter casi indispensable, sin embargo su buena consecución y aceptación por parte de los estudiantes depende de la adecuada propuesta experimental y el buen planteamiento de la propuesta por parte del docente. (Hodson, 1994).

Montaje Experimental

El montaje experimental que se proponga para la enseñanza de conceptos de superconductividad debe tener un claro procedimiento, los materiales que se usen deben ser accesibles y para la aplicación de la práctica debe existir un esquema que permita al estudiante desarrollar habilidades para la construcción de montajes experimentales paso a paso.

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Registro de datos

En las practicas experimentales se pueden considerar dos tipos de datos, las variables cualitativas y las variables cuantitativas, para poder apoyar la adquisición de los datos que en circunstancia son la materia prima del experimento, se requiere que el estudiante tenga claro que es lo que debe medir, como medirlo, y para que finalidad se mide, se suele acompañar este proceso con una guía de laboratorio. Se deben considerar las magnitudes medibles y sus correspondientes unidades, estas deben estar organizadas preferiblemente en una tabla de datos.

Comprobación

La comprobación experimental suele limitarse al cumplimiento del objetivo y a la verificación de la hipótesis, sin embargo hoy en día se usa una metodología en el aprendizaje de las ciencias que es más participativa, se trata del aprendizaje activo acá se plantean predicciones para que después se pueda hacer una comprobación más intuitiva, las predicciones inicialmente son individuales y posterior son grupales, y permite una interacción indispensable para la discusión científica (Michavila, 2008)

3.2.3 Uso de tics

“Es sabido en la arena educativa que uno de los factores fundamentales que ha permeado la utilización educacional de las tecnologías de información y comunicación (Tics) es la no siempre clara diferencia entre usar las tecnologías y su integración curricular” (L., 2014), las tecnologías en el aula hoy en día juegan un rol fundamental por la muy evidente expansión y adquisición de este recurso por parte de la mayoría de los estudiantes e instituciones educativas, sin embargo es indispensable que su uso se proyecte adecuadamente y tenga los objetivos para su desarrollo como herramienta pedagógica claramente establecidos. Ya su ubicación en la estructura curricular sigue siendo una discusión abierta teniendo en cuenta que en el caso de los estándares curriculares en Colombia (Ministerio de Educación Nacional de Colombia, 2001) si bien es cierto que están incluidos como ejes trasversales muy pocas veces se optimiza la aplicación sugerida. Es importante manejar este tipo de recursos en la implementación de estrategias pedagógicas teniendo presente el impacto que tienen estas siempre y cuando sea bien planteado como se mencionó anteriormente.

Herramientas Audiovisuales



Las herramientas audiovisuales como videos o presentaciones son de alto impacto, su uso en la actualidad es prácticamente ilimitado, sin embargo en el marco pedagógico siempre deben tenerse en cuenta aspectos a favor y en contra luego “los primeros medios audiovisuales (retroproyectores, proyectores de diapositivas, magnetófonos, proyectores de cuerpos opacos, etc.) llegaron a las aulas como herramientas que podían facilitar la presentación y compresión de la información y su uso generalizado fuera del aula no constituyo un paso previo a su utilización en entornos educativos ” (Tejada Fernández et al., 2012); es por esto que pasadas las dos últimas décadas la herramienta se ha ido implementando en el aula gradualmente, su uso hoy en día es casi que indispensable y para el ministerio de educación en Colombia es prioridad su uso en los salones de clases, es por esto que ha presentado programas como (Computadores para educar) el cual desde hace 6 años ha venido entregando recursos importantes para la implementación los establecimientos educativos. Se sugiere igualmente que para el uso de estas herramientas se tenga muy presente el objetivo orientador y conservar la motivación del estudiantado.

3.2.4 Estrategias Didácticas

“La selección de estrategias didácticas representa un importante paso del diseño curricular”.(Martín Díaz & Kempa, 1991), las estrategias didácticas utilizadas en las ciencias naturales varían dependiendo del modelo educativo de la institución educativa y de prácticas pedagógicas del profesorado, sin embargo es importante que las estrategias didácticas se orienten más al carácter propositivo del estudiantado que al cumplimiento de una estructura curricular, existe una variedad de propuestas de diseño de estrategias para la enseñanza de las ciencias naturales en función del uso de las tecnologías de la información y comunicación, las estrategias didácticas deben orientarse entonces de manera motivacional, la propuesta generalizada para esto se sugiere que tenga una adecuación de la siguiente manera 1) análisis de los conocimientos previos 2) verificación de los conocimientos previos y contraste de estos 3) visión general de los conceptos o términos a trabajar usando preferiblemente un constructo o mapa conceptual 4) demostración conceptual o matemática del contenido 5) formulación demostrativa o experimental 6) evidencia de aplicación en el contexto cotidiano. Esta secuencia didáctica se utiliza con diversas modificaciones pero su estructura general es la acá planteada (J. Salinas, 2004).

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3.3 Alfabetización científica

La alfabetización científica hoy por hoy y según un documento de la UNESCO (Macedo, 2016) tiene un carácter fundamental en la formación de sociedades, es un deber esencial de las instituciones educativas formar en ciencias, la ciencia para todos también trae a colación el termino de divulgación científica que también es muy utilizado hoy por hoy en el quehacer cotidiano de las actividades académicas orientadas a la enseñanza de las ciencias, para acercar cada vez más a personas del común a la iniciación en el trabajo primario en ciencias o conocimiento de estas.

Como lo mencione en mi tesis de pregrado “las primeras alfabetizaciones se realizaron lingüística y matemáticamente, pero no se realizaron enfoques en la alfabetización científica, la mayoría de personas sabe leer y escribir, así como sumar y restar; pero difícilmente se ve una posición científica y tecnológica en las personas, el principio sugiere concentrar los potenciales de alfabetización lingüística y matemática hacia la ciencia es decir, mejorar el vocabulario científico y relacionar las ciencias con las estructuras abstractas de las matemáticas. (Salinas Luis, 2014)

Desde esta perspectiva se sugiere la necesidad de que el trabajo del profesorado continuamente este orientado a la alfabetización científica, puesto que es un compromiso para con la sociedad en especial con la de este siglo.

Es así como se sugieren en la figura 13, algunos de los apartes generales para la construcción de una alfabetización científica desde el punto de vista curricular, las estrategias didácticas y el aprovechamiento de las TICS desde el enfoque ciencia tecnología y sociedad propuesto en los estándares del MEN, (Ministerio de Educación Nacional de Colombia, 2001), donde el rol del docente juega un papel fundamental en la mediación entre escuela, currículo y sociedad.



Figura 13. Generalidades para el alcance de la alfabetización científica según (Salinas Luis, 2014)

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3.3.1 Ciencia para la sociedad

Vivimos en una sociedad en que la ciencia y la tecnología ocupan un lugar fundamental en el sistema productivo y en la vida cotidiana en general. (Nieda-Beatriz 1998), es por esto que la escuela hoy en día juega un papel determinante y así mismo la estructura curricular establecida desde las instituciones para que la ciencia que se enseña sea de beneficio para la sociedad, no solo para la industrialización y comercialización de sus bienes y servicios, sino para que el ser humano que se encuentra en la sociedad pueda reconocer su entorno natural a través de la educación científica que le da la misma sociedad donde se encuentra involucrado. La propuesta actual es generar estrategias educativas que le permitan al profesorado incentivar y motivar a los estudiantes a no solo percibir conocimientos científicos si no a proyectarlos e identificarlos en su contexto cotidiano y buscar problemáticas que se puedan solucionar a través de estos.

3.3.2 Divulgación científica

Hoy día está asumida, por científicos, educadores y divulgadores, la necesidad de hacer llegar y de hacer partícipe a la sociedad de la ciencia y la tecnología que los especialistas van construyendo y desarrollando (P, 2004), la divulgación científica es hoy en día una interesante actividad que hace partícipe a varios entes sociales, especialmente a las instituciones educativas y a los semilleros de investigación.

La divulgación científica se presenta como una herramienta (figura 14) para acercar a personas del común al interesante mundo de la ciencia, así mismo poder llevar a cabo algo de alfabetización científica como se propone en el aparte anterior.

Figura 14 Ciencia y tecnología como actividades sociales según (Lopez A, 2004)



3.3.3 Actualización curricular

El currículo forma parte esencial del quehacer diario en las instituciones educativas, su permanente actualización depende exclusivamente del MEN, donde cada diez años se establece un plan decenal de educación el cual permite determinar rutas orientadoras que a través de estándares educativos y ahora de deberes básicos de aprendizaje (DBA), actualiza la estructura curricular de los planteles educativos, sin embargo esta estructura en muchas ocasiones cambia de nombre y cambia el formato, pero a fondo no hay un cambio realmente determinante que permita diseñar currículos más orientados a las necesidades de la sociedad colombiana.

Entones estas propuestas son “tendencias en la concepción del currículo de ciencias cuya orientación viene determinada por el deseo de suministrar una educación liberal y por la importancia de que los jóvenes vean la relevancia de la ciencia para sus propias vidas” (Driver, 1988); Y realmente es importante que en el diseño de la estructura curricular incluyamos situaciones que lleven a los jóvenes a pensar más allá de un simple concepto o teoría que se está planteando.

Por otro lado, si bien es cierto que el MEN determina o da directrices de las temáticas generales que se abordan en la ciencia, este no debe ser un limitante para no poder incluir otras cosas que no están en él, un ejemplo de ello es la física moderna (temas relacionados con la superconductividad) para estudiantes de la media, si bien es cierto que no es un requisito puede ser una opción para relacionar los contenidos obligatorios de grado décimo y undécimo.

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4. Marco Metodológico

Este trabajo se realizó en el Colegio Nuestra señora del rosario Funza con una población de 67 estudiantes de grado undécimo, donde a través de la estrategia didáctica que se va a presentar se desarrollaron temas relevantes a la superconductividad para retomar y relacionar temas de termodinámica y electromagnetismo vistos en el año 2016 y el año 2017.

Aspectos relevantes previos a la implementación

El colegio Nuestra Señora del Rosario Funza se encuentra certificado con registro de calidad ISO 9001-2015 en gestión de procesos educativos, al momento de realizar la implementación de la estrategia fue necesario tener en cuenta los conocimientos previos de las estudiantes y el momento adecuado para su implementación, en cooperación con la coordinación académica se llevaron a cabo los ajustes necesarios los cuales son evidentes documentos que hacen parte de los procesos académicos, algunos a tener en cuenta son:

a. Plan Integral del Colectivo de Creación y Adaptación y áreas constitutivas código PGF–02-R02 ver intensidad de horas por asignaturas tabla 1, en ella se evidencia la carga académica de la asignatura de física, y la asignación por cada uno de los semestres de acuerdo al grado.

Grado Curso Asignaturas Horas Clase Semana

Horas Clase

Semestre

Horas Clase

Anual

Responsable

S1

(19 S)

S2

(19 S)

Décimo I

Décimo I

Undécimo II

Undécimo II

10-01

10-02

11-01

11-02

Física V 4 76 76 Lic. Luis Fernando Salinas Barreto

Física V 4 76 76 Lic. Luis Fernando Salinas Barreto

Física VI 4 76 76 152 Lic. Luis Fernando Salinas Barreto

Física VI 4 76 76 152 Lic. Luis Fernando Salinas Barreto

Tabla 1 Intensidad de horas por asignaturas y distribuciones semestrales.



b. Secuencias temáticas de 2017, donde se pueden evidenciar los principales temas y/o conceptos que se manejaron en los grados decimo y undécimo ver figura 15, en el grado decimo se enseñó el eje temático de termodinámica y en el grado undécimo se instruyó en el tercer periodo la temática relacionada con electricidad y magnetismo, para la implementación de la estrategia didáctica se retomaron temas de termodinámica y electromagnetismo, no obstante al iniciar la estrategia en el cuarto periodo de 2017, las estudiantes ya tenían bases de los temas específicamente de la parte de electromagnetismo; es decir la estrategia no se implementó desde cero sino que retomó los temas de tercer periodo para poder darle continuidad a las temáticas estudiando los principios de la superconductividad y así mismo poder retomar algunos trabajados en grado decimo.

Figura 15 Malla curricular de la asignatura de física para el año 2017 en el colegio nuestra señora del Rosario Funza

c. Plan modular de Física grado undécimo año 2017, este documento orientó la planeación curricular de la asignatura durante cada periodo, en este caso se resalta el del tercer y cuarto periodo como se puede evidenciar en la figura 16 y figura 17 respectivamente. Para el caso del tercer periodo se puede comprobar cómo se trabajaron las temáticas de electromagnetismo previo a la aplicación de la estrategia didáctica en cuarto periodo para abarcar los conceptos de

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termodinámica y electromagnetismo a través de la enseñanza de principios de superconductividad.

Figura 16 Plan modular de física tercer periodo grado undécimo año 2017

Figura 17 Plan modular de física cuarto periodo grado undécimo año 2017



4.1 Organización metodológica

La estrategia didáctica que se llevó a cabo tiene una estructura pedagógica, la cual inicia y termina con una secuencia que lleva al estudiante paso a paso en la orientación del proceso de enseñanza y aprendizaje ver figura 18.

Figura 18 Esquema de organización de la estrategia didáctica para abarcar conceptos de termodinámica y electromagnetismo a través de la enseñanza de principios básicos de superconductividad.

4.1.1 Módulo orientador

En primer lugar se construyó una cartilla (Anexo 1), el objetivo de esta era orientar el trabajo a desarrollarse con las estudiantes, es decir este documento se utilizó en las clases como una guía en el desarrollo de los contenidos y objetivos propuestos en la metodología establecida para abarcar los conceptos de electromagnetismo y termodinámica a través del aprendizaje de principios de la superconductividad, para esto se tuvo en cuenta la siguiente estructura

• Introducción: Se describe de manera general cual es la temática que se va a trabajar en la cartilla

Construcción de un módulo para la enseñanza de la superconductividad

•Diseño de estrategia didáctica

•Introducción y conocimientos previos

•Enseñanza y revisión de conceptos

•Desarrollo y conocimiento de analogías

•Sesión de aprendizaje activo

•Experimento (Construcción del montaje experimental)

•Evaluación de la estrategia

Implementacion de montaje experimental

•Desarrollo de habilidades experimentales

•Comprobación de concepto Base (disminucion de la resistencia electrica)

Implementacion de sesion de aprendizaje activo- participativo

•Construccion y diseño del material

•Grabacion y edicion del material

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• Camino del saber: El camino del saber es un mapa conceptual que orienta cuales son los contenidos que se van a desarrollar y como están relacionados.

• Despertando lo que se: contiene unas preguntas previas que me permite saber los preconceptos del estudiantado a manera de inicio.

• Guía tu conocimiento: Orienta el conocimiento a partir de un mapa conceptual que contiene las ideas fundamentales y otros apartes relevantes para el aprendizaje.

• Aprendamos como es: Contiene definiciones didácticas que permiten confrontar los conocimientos previos del estudiante y lo conduce a nuevos términos relacionados con los términos base.

ACTIVIDADES

• Sesión de aprendizaje activo: Contiene las analogías didácticas usadas para la explicación de los principios básicos de la superconductividad en el índice 4.2.

• Experimentando ando: Contiene el aparte experimental explicado en el índice 4.3

• Refuerzo mi aprendizaje: Son actividades didácticas / dinámicas que complementan el lenguaje y relacionan conceptos con definiciones (no son objeto de evaluación)

• Trascendiendo lo aprendido: Muestra en contexto algunas de las muchas aplicaciones de la superconductividad

4.2 Sesión de aprendizaje activo

Para esta sesión se contó con el apoyo de la dirección nacional de innovación académica de las Universidad Nacional

Título del recurso o propuesta: Herramientas audiovisuales con analogías aplicadas a la enseñanza de la superconductividad. Objetivo: Diseñar y construir analogías didácticas, que describan las fenomenologías implícitas en superconductividad para que los estudiantes de grado once puedan comprender los conceptos relevantes al tema. Temáticas a desarrollar: 1. Fenómenos macroscópicos de la superconductividad 2. Fenómenos Microscópicos de la superconductividad



Recursos por elaborar Dos videos con animaciones y presentaciones que incluyen la narración y presentación de las temáticas que se mencionaron, la especificación de los videos se presenta en el (anexo 2). Equipos especiales o software requeridos 1. Equipo para grabación y filmación espacio cerrado y campo

abierto. 2. Equipo para edición y animación de videos. 3. Equipo para edición y animación de audios. 4. Personal necesario para el manejo del equipamiento y las

correspondientes ediciones y animaciones. Alcances Esta herramienta sirve para que otros docentes puedan abordar la temática y trabajarla con estudiantes de la media, teniendo en cuenta los conocimientos previos de los estudiantes.. Resultados esperados de los videos

Esta herramienta aportará a mi trabajo final, como planeación para una sesión de aprendizaje activo referido en uno de los objetivos específicos, ya que el trabajo tiene varias fases entre ellas trabajo experimental y trabajo teórico practico.

La herramienta debe abordar los temas necesarios para que el estudiante pueda comprender el fenómeno macroscópica y microscópicamente.

Los videos y las animaciones que se incluyan deben ser claros y objetivos, no necesitando una explicación directa durante la presentación.

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4.3 Actividad experimental

La actividad experimental planteada tenía como objetivo fundamental recrear el primer experimento que se llevó a cabo para el descubrimiento de la superconductividad (Onnes 1911).

Objetivo.

Comprobar experimentalmente que los materiales varían su resistencia al paso de corriente en función de la temperatura.

Materiales

1 Fuente de voltaje (Directo) regulada.

1 Multímetro análogo previamente calibrado

1 termocupla

100 mL de nitrógeno liquido

5 mL de mercurio liquido puro

Cables de punta de multímetro

1 vaso desechable

1 sección de manguera de 5 cm de largo y 3 mm de diámetro

Montaje experimental

Tenemos la sección de manguera, por un lado, introducimos la punta del cable del multímetro hasta que quede ajustado y aseguramos con una cinta la manguera a la punta (Figura 19), procedemos a depositar el mercurio con una jeringa, la cantidad debe ser la necesaria para que este quede apenas en contacto con las dos puntas y el sistema debe estar cerrado y sellado. A continuación, procedemos a conectar la fuente de voltaje, el multímetro y la termocupla, de tal manera que al pasar corriente por el segmento de mercurio podamos medir la resistencia, la temperatura y mantener constante el paso de corriente.



Figura 19 montaje experimental sección de manguera con mercurio

Procedimiento

Ya con el montaje listo procedemos a variar la temperatura, siendo la temperatura inicial la temperatura ambiente, en el recipiente de icopor colocamos el nitrógeno líquido, y acercando prudentemente el sistema con una temperatura en escalas de 10, medimos la resistencia del material hasta lo mínimo en temperatura que sea posible medir figura 20.

Figura 20. Toma de datos en el termocupla

Datos

De acuerdo a lo mencionado anteriormente completamos los datos de la siguiente tabla con el fin de realizar correctamente el procedimiento experimental.

Tabla 2. Datos experimentales

Temperatura : ______°C

Temperatura :______°C

Temperatura : ______°C

Voltaje (V)

Corriente (A)

Voltaje (V)

Corriente (A)

Voltaje (V) Corriente (A)

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Análisis de datos

Observando los datos, ahora se procede a obtener los análisis de las tablas de datos, teniendo presente la teoría presentada al principio de este módulo. Para los análisis es importante realizar la observación de cómo cambia la resistencia con la temperatura.

Informe experimental

El informe experimental debe incluir un análisis de los datos, errores, error porcentual, desviación estándar, error promedio, se deben realizar las gráficas de V vs I, para verificarlas y extrapolarlas sobre el mismo grafico

Preguntas:

Comente a continuación que observo en la experiencia de manera general:

Si fuera posible seguir disminuyendo la temperatura del material, ¿Que variables se verían afectadas? ¿Cuáles cambiarían y cuáles no?

Si ahora aplicamos una temperatura superior a los 200 °C ¿Qué sucedería con la resistencia? ¿Habría resistencia sí o no? ¿Porque?

¿Cómo cree que se comportan los materiales superconductores microscópicamente (a nivel atómico) para que no tengan resistencia al paso de corriente?

¿Cómo podríamos realizar un experimento relacionado con la superconductividad y el campo magnético? ¿Justifique su respuesta?

A continuación escriba algunas conclusiones después de realizar la retroalimentación con sus compañeros



5. Implementación y resultados

5.1 Aplicación

La implementación se llevó a cabo durante el segundo semestre de 2017, la base principal de este trabajo fue el documento enseñanza de la superconductividad a través de analogías (Ihas & Meisel, 1990), para iniciar se realizó un test previo (anexo C), luego se inició el trabajo con la cartilla (modulo guía), esta fue el documento que orientó el trabajo en general. En esta se abordaron las temáticas generales teniendo en cuenta los conocimientos previos de los estudiantes, la realización y visualización de un mapa conceptual y las actividades planteadas en el (anexo 1).

5.1.1 Sesión de aprendizaje activo

La sesión de aprendizaje activo se llevó a cabo en dos fechas, la primera fue la realización de un video en el teatro del colegio ver figura 21, para esto fue importante que las estudiantes tuvieran en cuenta las analogías presentadas a continuación:

Primera fecha: analogía de video en casa

Las organizaciones de las escenas explican el aspecto macroscópico del fenómeno superconductor, por un lado, la animación explicará cuál es el concepto físico, seguido se muestra la analogía que es una escena del video “acto de mirar una película”

Secuencia

1. En la primera explicación se introduce la analogía macroscópica, donde los electrones son espectadores que ven una película. Seguido a esto se muestra la escena de las personas mirando la película, están concentrados.

2. En la segunda explicación se pretende comparar el tiempo durante el cual se ve la película, con un reloj ubicado en el teatro, en esta escena se muestra un reloj que debe estar ubicado en un lugar visible.

3. En la tercera explicación se introduce la explicación de la temperatura crítica, en este caso es análoga al momento en que inicia y termina la película, en esta escena las personas entran al teatro y después se ve cuando salen al finalizar la película (haciendo énfasis en el reloj).

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4. Para la siguiente explicación se muestra como es análogo el campo magnético al ruido que hay en la película, luego en la escena se muestra el ruido normal de la película mientras las personas están mirándolo fijamente (el ruido de fondo debe ser el normal para ver una película).

5. Para la quinta explicación se introduce el concepto de campo magnético crítico, se hace la ilustración; en la escena se pretende ver la interrupción de la película por un alto ruido, o por un bajo ruido.

6. En la sexta explicación se introduce el concepto de la densidad de corriente, en este caso se muestran los electrones con una distribución uniforme al pasar por un área transversal de un superconductor, para cada persona corresponde un puesto en la escena se muestran los puestos y como las personas se pueden distribuir adecuadamente sin dejar espacio vacío o sin estar muy amontonados, cuando una persona sale de la película no interactúa con otras es decir el espacio es suficiente para no interrumpir la película.

7. En la séptima explicación se pone de manifiesto la densidad de corriente crítica, donde en la ilustración se puede evidenciar el concepto, en la escena se va a mostrar muchas personas amontonadas por la falta de sillas, lo que genera que el acto de mirar una película no se pueda llevar a cabo.

8. Fase de transición, es el momento justo cuando un material se convierte en superconductor se indica en la ilustración gráfica, en la escena se muestra cuándo todos en silencio comienzan a ver la película, igualmente cuando terminan, las distracciones o impurezas, es decir otros elementos que no sean personas pueden interrumpir y se genera la fase de transición

Figura 21 Estudiantes en la filmación de la analogía del teatro -fotografía tomada en el teatro del colegio nuestra señora del rosario Funza 2017 con autorización de los acudientes.



Segunda Fecha analogía del maizal

Las organizaciones de estas escenas explican el aspecto microscópico del fenómeno superconductor, por un lado, la animación explicará cuál es el concepto físico, seguido se muestra la analogía que es una escena del video “Personas cruzando un Campo de Maíz” Ver figura 22.

Secuencia

1. En la primera explicación se introduce la analogía microscópica, donde el material es análogo a un campo de maíz donde los maizales tienen distancias uniformes; Seguido a esto se muestra la escena donde se ve el campo de maíz en su longitud.

2. En la segunda explicación se pretende establecer las analogías de los tallos de maíz, que son análogos a los átomos que componen la red del material en esta escena se muestran los tallos de maíz debidamente espaciados.

3. En la tercera explicación se asume que la temperatura es análoga a la temperatura del aire que pasa por el maizal, en esta escena se muestra la temperatura a la que está el maizal (ambiente) en la cual se hace la medición.

4. Para la cuarta explicación se presenta la temperatura crítica en la animación, en esta caso altas temperaturas hacen que el maizal vuelva a enderezarse cuando las personas cruzan, para esta escena hay que tener presente el efecto del calor sobre el maizal cuando por él han cruzado personas, por otro lado, la otra escena muestra una temperatura muy fría, donde los caminos del maizal no son repuestos por el calor, entonces otras personas pueden ver el camino acá se relacionan los pares de Cooper .

5. Para la quinta explicación se hace la analogía del viento que pasa por el campo de maizal, el viento es análogo al campo magnético en un material superconductor, en este caso la escena muestra una ráfaga de viento normal que no afecta el campo de maíz, ni los maizales, ni los caminos que se han formado entre estos.

6. En la sexta explicación se introduce el concepto del campo magnético critico que igualmente es análogo al viento que cruza por el maizal, el este caso la escena es una ráfaga de viento tan fuerte que los tallos de maíz se doblan y los caminos por donde las personas cruzan quedan totalmente eliminados.

7. En la séptima explicación se pone de manifiesto la densidad de corriente, los electrones son como las personas que cruzan un campo de maíz, sin tener inconvenientes en ello, ya que al haber el número adecuado de personas estas pueden caminar por el campo de maíz, sin perderse siguiendo al que esta adelante (pares de cooper).

47

8. En la octava explicación se pone de manifiesto la densidad de corriente crítica, donde en la ilustración se puede evidenciar el concepto, en la escena se va a mostrar muchas personas que corren por los caminos del campo de maíz, generando más caminos y destruyendo otros dejando algunos sin salida, lo que genera que los electrones no puedan fluir correctamente por el material.

Figura 22 estudiantes en la filmación de la analogía del teatro (fotografía tomada maizal municipio de Subachoque 2017 con autorización de los acudientes).



5.1.2 Aplicación Sesión Experimental

La actividad experimental se realizó después de la sesión de los videos ver figura 23, como se indicó la intensión de la práctica era verificar como descendía la resistencia del mercurio a medida que se iba disminuyendo su temperatura ver Figura 24. Después de terminada la toma de datos se debían realizar 3 graficas, y luego hacer su correspondiente comparación. Los gráficos muestran como la pendiente se disminuye a medida que se disminuye la temperatura.

Figura 23 Estudiantes en la implementación experimental llevada a cabo en las instalaciones del colegio Nuestra señora del Rosario Funza

Figura 24 Variación de la resistencia para diferentes temperaturas

10; 1

10; 0,8

10; 0,32

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 2 4 6 8 10 12

Co

rrie

nte

Voltaje

Voltaje vs Corriente (Hg)

t=20°c

t= - 35°C

t= - 120°C

49

5.2 Resultados de la estrategia

Para evaluar el impacto de la estrategia se procedió a realizar un pretest (anexo C) y un postest (anexo D), ambas pruebas consistían en 10 preguntas de selección múltiple relacionadas con termodinámica, electromagnetismo y superconductividad. La primera prueba se llevó a cabo en la primera semana de septiembre de 2017, antes de comenzar con la implementación de la estrategia, se realizó de manera escrita, se les indico a las estudiantes que esta prueba no tenía como intensión obtener una calificación, que lo que se pretendía era realizar una medición de los conocimientos previos. Se aplicó el pretest a un grupo de 64 estudiantes. Después se procedió a realizar la tabulación en una hoja de cálculo, dándole una valoración de 0,5 a cada una de las preguntas con una máxima puntuación de 5.0,

Luego se organizan los valores en una tabla de frecuencias y se realizó un gráfico como se puede ver en la figura 25.

cantidad 1 5 11 13 14 10 9 4

nota 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

Tabla 3 Frecuencias en la puntuación para un total de 64 estudiantes Pretest

Figura 25 Puntajes obtenidos en el pretest en función de la cantidad de estudiantes por nota obtenida

1

5

11

13 14

10 9

4

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

Distribucion de frecuencias del puntaje obtenido en el pretest



Como se puede ver en este grafico ningún estudiante obtuvo la puntuación máxima, y la mayoría se encuentran en el rango de 2,5 – 3,5.

Luego de implementar la estrategia se procedió a realizar el postest de selección múltiple y evaluó las mismas competencias que el pretest, este se aplicó en la primera semana de noviembre, luego de organizar los datos obtenidos tenemos la tabla de frecuencias, posteriormente se procede a realizar el grafico ver figura 26

0 0 1 1 7 4 8 10 33 cantidad

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 nota

Tabla 4 Frecuencias en la puntuación para un total de 64 estudiantes Postest

Figura 26 Puntajes obtenidos en el postest en función de la cantidad de estudiantes por nota obtenida

Como se puede evidenciar en el postest los resultados obtenidos fueron más favorables, teniendo presente que el puntaje aprobatorio es de 3,5, se encontró que el 86% de los estudiantes aprobaron la prueba, esto significa que la estrategia impacto realmente en el desarrollo de competencias y habilidades de los estudiantes

1 1

7 4

8 10

33

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Distribucion de frecuencias del puntaje obtenido en el postest

51

Figura 27 Gráfico para porcentaje de estudiantes que aprobaron el postest

Figura 28 Gráfica de resultados en comparación de los tests aplicados a un grupo de 64 estudiantes

Como se puede ver en la figura 28, la estrategia para la enseñanza de la de conceptos de electromagnetismo y superconductividad a través de la enseñanza de la superconductividad fue de alto impacto, ya que por lo menos la mitad de los estudiantes evaluados obtuvieron la puntuación máxima, y el 86 % obtuvo el puntaje aprobatorio.

14%

86%

Porcentaje de estudiantes que aprobaron

no aprobaron aprobaron

0

5

10

15

20

25

30

35

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

Can

tid

ad d

e e

stu

dia

nte

s

Puntuacion Obtenida

Comparativa de resultados de los test



6. Conclusiones y recomendaciones

6.1 Conclusiones

Al realizar el estudio bibliométrico y cienciométrico de la enseñanza de la superconductividad se encontró que algunos temas de la física de estado sólido en algunos casos son pertinentes para la enseñanza a nivel escolar básico, adicionalmente cada día se usan más estrategias para poder explicar conceptos que usualmente no son tan fáciles de entender, y es el docente quien tiene el papel principal como mediador entre el contenido curricular y las herramientas que se utilizan para la didáctica de las ciencias.

La construcción de estrategias didácticas para la enseñanza de conceptos de física, son un recurso pertinente, siempre y cuando se tengan objetivos claros para su diseño, es decir que es lo que se quiere enseñar y para que enseñarlo. Igualmente la organización de las estrategias didácticas debe ir de la mano con los recursos que se pueden utilizar para tal fin.

El uso de analogías para explicar conceptos y modelos físicos puede ser una herramienta de alto impacto, sin embargo se debe tener presente que las analogías suelen tener pros y contra, entonces los docentes tenemos una gran responsabilidad para poder hacer que estas herramientas me permitan llevar a cabo estos procesos de enseñanza y aprendizaje de manera adecuada.

Generar estrategias curriculares donde exista una trazabilidad en el contenido, es indispensable para poder lograr adecuar estos currículos de manera innovadora, y a su vez se enriquezca el contenido temático de las asignaturas de ciencias naturales, logrando así impactar en la alfabetización científica desde el uso de las tecnologías de la información y la comunicación.

El factor innovador de las herramientas didácticas planteadas para esta implementación es de gran alcance, el uso del aprendizaje activo dio al estudiante un amplio margen de conocimiento al sentirse parte de él y como el mismo, en este caso fue fundamental que el estudiante jugara el papel del electrón que es capaz de desplazarse a través de un conductor e interactuar con la materia, así como interactuando con las magnitudes que intervienen en los fenómenos de sistemas físicos.

El experimento y la recreación de estas experiencias científicas son clave en el proceso de enseñanza y aprendizaje de ciencias naturales,

53

sin embargo estos experimentos deben estar muy preparados y en su debido caso construir los montajes experimentales previamente para analizar las posibles circunstancias y prever los contratiempos y así corregir las situaciones que puedan afectar la toma de datos.

Los resultados obtenidos en la implementación de esta estrategia fueron muy positivos, las herramientas que se usaron fueron adecuadas y finalmente se lograron buenos resultados, así mismo los estudiantes manifestaron mucho interés porque su rol fue más activo, esto logro una motivación adicional lo que permitió que en su mayoría sintieran interés por las actividades

6.2 Recomendaciones

En la construcción de herramientas para la comprensión de fenómenos físicos es fundamental establecer parámetros para la organización de las ideas y de los recursos que se desean utilizar. Para la realización de material audiovisual se hace necesaria la construcción de guiones organizados que me permitan trabajar las magnitudes que se desean explicar

Usar analogías para la enseñanza de fenómenos físicos es posible siempre y cuando cada rol análogo tenga un papel claramente definido desde lo teórico y lo disciplinar.

54 Estrategia didáctica para abarcar conceptos de electromagnetismo y termodinámica desde

la enseñanza de los principios de superconductividad en grado undécimo

A. Anexo: Cartilla para la enseñanza de la superconductividad

Nombre: _______________________________________

Curso: _________________________________________

Institución: _____________________________________

Modulo para la enseñanza de la superconductividad en grado 11

Realizado por: Luis Fernando Salinas Barreto

Lic. Universidad Pedagógica Nacional Ing. electrónico Universidad Distrital

Estudiante Msc. Ciencias Naturales y Exactas Universidad Nacional Bogotá D.C Diciembre del 2017

Anexos 55

CONTENIDO

Introducción

Despertando lo que se

Camino del saber

Guía tu conocimiento

Aprendamos como es

ACTIVIDADES

Analogías didácticas

Experimentando ando

Refuerzo mi aprendizaje

Trascendiendo lo aprendido



INTRODUCCION

El descubrimiento de la superconductividad es uno de los más sorprendentes de la historia de la ciencia moderna. Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo XIX en licuar todos los gases conocidos en aquel tiempo. Era ya bien sabido que la inmensa mayoría de los gases solamente podrían licuarse a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas.

Para visualizarlo de una forma muy sencilla, uno puede pensar que en general la materia sólida está compuesta por una red de átomos que oscilan y que los electrones se mueven sobre esta red, sobre todo los electrones que están más alejados de los núcleos de los átomos. A altas temperaturas (20 ºC) las oscilaciones de la red son muy grande y los electrones chocan continuamente con estos átomos produciendo resistencia a su movimiento. A medida que bajamos la temperatura las oscilaciones de los átomos disminuye y la resistencia al movimiento también; y por debajo de una temperatura crítica propia del material (Tc) los electrones ya no chocan con los átomos que forman la red y se mueven libremente por él, es decir ya no hay ninguna resistencia a su paso. El material se convirtió en superconductor ver imagen 1.

Imagen 1 Pastilla superconductora

Anexos 57

Despertando lo que se

En este momento el estudiante debe tener algunos conceptos de electromagnetismo y algo de conocimiento de sus aplicaciones en esta rama de la física de acuerdo a sus experiencias en la vida real. La física es una ciencia teórico experimental y por lo tanto las prácticas experimentales son importantes al igual que la conceptualización a partir del lenguaje científico.

Recuerde que la física es una ciencia que se preocupa por conceptualizar objetivamente, es decir, de describir la naturaleza de las cosas a partir de supuestos y observaciones.

Para empezar vamos a revisar algunos conceptos que el estudiante debe manejar. Defina a partir de sus conocimientos previos los siguientes conceptos:

Material aislante:

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Material conductor: ____________________________________________________________________________________________________________________

Campo magnético:

____________________________________________________________________________________________________________________Corriente:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Resistencia:

____________________________________________________________________________________________________________________

Cero Absoluto (temperatura)

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________



Camino del saber

Antes de abarcar el tema de superconductividad resulta necesario revisar la organización de conceptos, los cuales son indispensables para poder entender el fenómeno de la superconductividad, estos términos están íntimamente relacionados con el electromagnetismo para ello es necesario identificarlos y saber cómo están relacionados como se muestra a continuación



Guía tu conocimiento

Desde la década de 1980, la tecnología superconductora es cada vez más visible para el público en general, especialmente con su utilización en electroimanes para la imagen por Resonancia Magnética (MRI) ver Ia imagen 1 por sus siglas en inglés y su uso para el Súper Colisionador Superconductor (SSC) ver imagen 3, por sus siglas en inglés, el cual se encuentra ubicado en la frontera franco suiza y comenzó su funcionamiento alrededor del año 2000, hasta la actualidad.

Imagen 2 Cámara de resonancia magnética

Sin embargo, el reciente descubrimiento de nuevos materiales superconductores alrededor de los años 90 con temperaturas de transición por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido se ha abierto camino el fenómeno de la superconductividad a la vida cotidiana (uso en medicina) del público en general.

Imagen 3 Supercolisionador de partículas



Hoy, la física tiene una responsabilidad cada vez más elevada para explicar los principios básicos de la superconductividad a una gran audiencia y diversa. Este proceso educativo es necesario para que el público entienda y analice críticamente el significado y el potencial de los avances tecnológicos generados por este nuevo descubrimiento. La dificultad principal asociada con la enseñanza de los conceptos de la superconductividad es que no existe análogo clásico directo, para poder realizar una mejor compresión y avance. Antes de continuar esta guía, se recomienda al estudiante un breve repaso de aquellos conceptos físicos necesarios para poder avanzar en la adquisición de nuevos saberes, estos los enunciamos a continuación:

Átomo:

El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. El núcleo está formado por protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros ver imagen 4. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética.

Imagen 4 Representación de un átomo de helio

Electrón:

Los electrones tienen una masa de 9,11×10−31 kilogramos, unas 1840 veces menor que la de los neutrones y protones. Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las sustancias. Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo de estructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para desplazarse, actualmente se tienen representaciones de los electrones a través de la microscopía electrónica ver imagen 5.

Anexos 61

Imagen 5 representación en corte transversal de los orbitales del átomo del hidrogeno

Campo Magnético

En física, se llama campo a la región espacial donde es posible definir una magnitud. El adjetivo magnético, por su parte está vinculado al magnetismo: la propiedad que tienen las corrientes eléctricas y los imanes de generar repulsiones y atracciones a distancia. En términos generales, es un campo no visible que ejerce una fuerza magnética sobre elementos que son sensibles al magnetismo.

Una de las características del campo magnético (B) es la polaridad, un campo magnético tiene dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos polos se encuentran en los extremos del campo. En la Imagen 6 es posible evidenciar los polos de un imán, el fenómeno del campo genera líneas que son invisibles al ojo humano, sin embargo con limaduras de un material como el hierro, se pueden hacer evidentes.

Imagen 6 Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel.



Una de las particularidades del campo magnético son las interacciones que producen sobre las cargas en movimiento, imaginemos una región del espacio en la que una carga eléctrica puntual de valor q (ver imagen 7), se desplaza a una velocidad v, esta experimenta los efectos de una fuerza F que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B.

Imagen 7 Carga puntual que se desplaza a una velocidad v por un campo magnético, ilustración de la Fuerza de Lorenz

Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.

F = q.v.B sen α

<Ec 1> Ecuación de la fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga

Donde q es la carga, v es la velocidad de la carga, B es la intensidad de campo magnético y α es el ángulo que se forma entre la dirección del campo magnético y la dirección de la velocidad.

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un 'campo magnético'. Los campos magnéticos suelen representarse mediante 'líneas de campo magnético' o 'líneas de fuerza', la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo Ver imagen 8.

Anexos 63

Imagen 8 Acción del campo electromagnético en una espira

Campo magnético critico

El campo magnético crítico, Bc, (o su equivalente intensidad de campo magnético crítico) es el valor del campo magnético a partir del cual un superconductor que está a una temperatura fija inferior a su temperatura crítica pasa al estado normal.

Temperatura

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro ver imagen 9. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Imagen 9 Termómetro, el cual debe alcanzar un equilibrio térmico para que la medición sea correcta

Temperatura Crítica:

Se denomina temperatura crítica a la temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión, En superconductividad es la temperatura Tc a partir de la cual, si se sigue enfriando la sustancia, el material se vuelve superconductor; es decir, deja de tener resistencia eléctrica alguna. Cuando el material está en estado superconductor no deja penetrar las líneas de campo magnético, a este se le conoce como el efecto Meissner ver imagen 10.



Imagen 10 Representación de las líneas de campo magnético (B) en un material a temperatura (T) mayor que la temperatura crítica (Tc), y la temperatura menor que la temperatura crítica.

Densidad de corriente

La densidad de corriente eléctrica se define como una magnitud vectorial (ver imagen 11) que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie, es decir, intensidad por unidad de área. Matemáticamente, la corriente y la densidad de corriente se relacionan como:

<Ec 2> Relación entre la corriente y la densidad de corriente

I es la corriente eléctrica en amperios A

j es la densidad de corriente en A.m-2

S es la superficie de estudio en m²

Densidad de corriente crítica

En las aplicaciones prácticas, la característica más importante de un material superconductor es la máxima corriente eléctrica que puede soportar. Los superconductores convencionales (a baja temperatura) soportan corrientes de muchos órdenes de magnitud mayores que los de alta temperatura crítica (a alta temperatura), Los físicos suelen hablar de densidad de corriente que es la corriente por unidad de área. Se puede demostrar que la densidad de corriente es inversamente proporcional a la longitud de penetración. Así que a mayor longitud de penetración menor corriente crítica ver imagen 11.

Anexos 65

Imagen 11 Representación de la densidad de corriente en un corte transversal

Superconductividad

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia, y presentar diamagnetismo perfecto (capacidad de repelar campos magnéticos )en determinadas condiciones, como la temperatura ver imagen 12, densidad de corriente, entre otros.

Desde este punto de vista se puede afirmar que el estado superconductor según (Magaña Solis 1988) “Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica y existe diamagnetismo. Esto significa que no hay pérdida de energía al pasar la corriente eléctrica por un material superconductor y que al ser sometido a un campo magnético no permite que el campo penetre en su interior (Conocido como el efecto Meissner para Superconductores Tipo I). Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor”. Es así como un material superconductor posee unas cualidades y propiedades muy interesantes para su estudio y análisis.



Imagen 12 Gráfica del comportamiento de un superconductor y un material no superconductor

Analogías didácticas

Teniendo en cuenta la profundidad que se requiere en conceptos electromagnéticos para la comprensión de la superconductividad, resulta pertinente presentar unas analogías didácticas, que describan las fenomenologías implícitas en esta, para que los estudiantes de grado once puedan comprender los conceptos relevantes de la superconductividad.

Características de superconductividad

Analogía video visto en casa (macroscópico)

Analogía Maizal (microscópico)

Material Acto de mirar una película en casa, película casera.

Campo de maíz donde hay tallos de maíz espaciados.

Electrones Público que ve la película Personas corriendo a través del campo de maíz. (caminos entre los corredores) pares de Cooper

átomos tallos de maíz

temperatura tiempo temperatura del aire

Temperatura Crítica Tiempo en que comienza o termina la película.

Temperatura del aire en que los tallos de maíz no retornan a su posición normal después de ser doblados.

Campo magnético Ruido de fondo Viento

Campo magnético critico El ruido de fondo llega a un nivel desagradable

Fuerza del viento suficiente para borrar los caminos hechos en medio de los tallos.

Densidad de corriente Espectadores por unidad de área

Número de corredores

Densidad de corriente crítica

Valor al que los espectadores no pueden ver la película

Número de corredores límite de tal forma que los caminos se cruzan y los corredores se pierden en el camino.

Anexos 67

Fase de transición Instante en que la película o empieza o termina

<Tabla 1 analogías de superconductividad>

SESIÓN DE APRENDIZAJE ACTIVO- PARTICIPATIVO

Implementación de estrategia de aprendizaje activo ver aparte 4.2

EXPERIMENTANDO ANDO - SESIÓN EXPERIMENTAL

Implementación de experimento ver aparte 4.3

REFUERZO MI APRENDIZAJE

Complete las siguientes frases con las siguientes palabras (intrínseca, resistencia, superconductor, temperatura, sorprendentes, átomos, electrones, energía)

a. El descubrimiento de la superconductividad es uno de los más __________________de la historia de la ciencia moderna.

b. Uno puede pensar que en general la materia sólida está compuesta por una red de __________ que oscilan y que los _________ se mueven sobre esta red.

c. A medida que bajamos la _______________ las oscilaciones de los átomos disminuye y la _______________ al movimiento también.

d. Se denomina superconductividad a la capacidad ____________ que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de _____________ en determinadas condiciones.

e. En superconductividad es la temperatura Tc a partir de la cual, si se sigue enfriando la sustancia, el material se vuelve _______________; es decir, deja de tener resistencia eléctrica alguna.

Una con una línea de acuerdo a la similitud que encuentre entre las palabras

Temperatura Crítica *Representa una región del espacio en la que una carga eléctrica puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad

Superconductor *Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia de la partícula conocida como



bosón de Higgs, a veces llamada “partícula de la masa”.

Campo Magnético *Es un fenómeno físico basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos.

Densidad de corriente *Si se sigue enfriando la sustancia, el material se vuelve superconductor; es decir, deja de tener resistencia eléctrica alguna.

Resonancia Magnética *Capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.

Supercolisionador *se define como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie

TRASCENDIENDO LO APRENDIDO

Veremos algunas de las aplicaciones del fenómeno de la superconductividad, aplicados específicamente en tecnología para beneficio de la humanidad.

Magnetómetro

Se llama magnetómetro (ver imagen 13) a los dispositivos que sirven para cuantificar en fuerza o dirección de la señal magnética de una muestra. Los hay muy sencillos, como la balanza de Gouy o la balanza

de Evans, que miden el cambio en peso aparente que se produce en una muestra al aplicar un campo magnético (por el momento magnético que se induce), y también muy sofisticado, como los dotados de SQUID, que son los más sensibles actualmente.

Imagen 13 Dispositivo electrónico de un Magnetómetro

Anexos 69

Tren de levitación magnética

El transporte de levitación magnética, o Maglev (ver imagen 14), es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética, los superimanes utilizados para la construcción de estos trenes son aplicaciones de la superconductividad

Imagen 14 - Transrapid en Shanghái

Otras aplicaciones

Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil (Ver imagen 15).

Imagen 15 Tecnologías aplicadas

Bibliografía

Cardenas, M., & Lozano, S. R. De. (n.d.). Análisis de una experiencia didáctica realizada para construir conceptos fundamentales de termodinámica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 170–178.

Ihas, G. G., & Meisel, M. W. (1990). Teaching superconductivity via analogy. The Physics Teacher, 28(8), 554–555. https://doi.org/10.1119/1.2343151

Parra, R. B. (2006). El fascinante mundo del estado sólido: la superconductividad. Universidad Pedagógica y Tecnológica de



Colombia.

Imagen 1 tomada de http://homepages.mty.itesm.mx/al911330/

http://homepages.mty.itesm.mx/al911330/



B. Guiones de videos

A final del documento es opcional incluir índices o glosarios. Estos son listas detalladas y especializadas de los términos, nombres, autores, temas, etc., que aparecen en el trabajo. Sirven para facilitar su localización en el texto. Los índices pueden ser alfabéticos, cronológicos, numéricos, analíticos, entre otros. Luego de cada palabra, término, etc., se pone coma y el número de la página donde aparece esta información.

Facultad: Maestría en enseñanza de las ciencias exactas y naturales

Departamento: Física

Docente: Luis Fernando Salinas

Asignatura: Herramientas audiovisuales con analogías aplicadas a la enseñanza de la superconductividad.

Proyecto: 250

Fecha: Julio 21 2017

Otros funcionarios: Manuel Fernando Guevar

Título: Fenómenos macroscópicos de la superconductividad

Espacio: Teatro Colegio



# Imagen Acción Audio

1

Personaje presentando la introducción El personaje es un electrón animado que muestra la característica de ser muy rápido y mostrar un signo menos y un reloj en la mano

En la animación de introducción, el personaje animante comienza saludando a la audiencia

"Bienvenido y bienvenida" Hoy conocerás y aprenderás cómo funciona el maravilloso mundo de la superconductividad, para esto vamos a comenzar con algo de su historia.

2

Fotografías de los físicos que descubrieron la superconductividad

Inicia la narración con la fotografía de Heikke Onnes (Imagen 6), luego se realiza una sucesión de fotografías en el siguiente orden: Licuefacción del helio (imagen 0) Premio noble (Imagen 5) John Bardeen (imagen 11) Leon Cooper (imagen 12) John Robert Schrieffer (imagen 13) Teoría bcs (Imagen 10) Las fotografías sugeridas son de libre uso. Bajo cada fotografía ubicar un texto con los años de nacimiento y muerte de cada científico, así: Heikke Onnes (1853 - 1926) John Bardeen (1908 – 1991) Leon Cooper (Nueva York – 1930)

El descubrimiento de la superconductividad comenzó cuando, en un laboratorio, el físico neerlandés Heikke Onnes en la primera década del siglo XX, logro experimentar con metales a bajas temperaturas, mediante la licuefacción del Helio. Posteriormente, recibió el premio nobel por su descubrimiento experimental en 1913. A pesar que el fenómeno era interesante no pudo ser explicado teóricamente sino 60 años después, por los científicos John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer, quienes en conjunto y gracias a 20 años de investigación pudieron proponer la teoría conjunta BCS, que explica el comportamiento a nivel atómico de los electrones, en un material superconductor

Anexos 73

John Robert Schrieffer (EUA – 1931)

3 Secuencia de imágenes con narración.

Mientas se pasan las imágenes se realiza la narración Levitación magnética (imagen 8) Trenes Maglev (Imagen 14) Supercolisionadores de partículas (imagen 15) Temperatura crítica (imagen 2)

Desde la década de los 80, el estudio y desarrollo de la superconductividad ha generado una cadena muy interesante de aplicaciones tecnológicas como la levitación magnética, los trenes Maglev, los supercolisionadores de partículas y la resonancia magnética, entre otros; es así como los científicos buscan con esperanza llegar a superconductores, cuya temperatura crítica se acerque a la temperatura ambiente, esto ha generado una importante línea de investigaciones relacionadas con el fenómeno superconductor.

4 Personaje narrando

Se explica el objetivo del video que se va a presentar. Mientras el personaje se encuentre narrando, en pantalla, junto a él, aparece el siguiente texto: “Fenómenos macroscópicos de la superconductividad”

Así, el objetivo de este vídeo es mostrar, de manera didáctica, los fenómenos macroscópicos de la superconductividad usando la analogía de mirar una película en un teatro.

5

Imagen general de un teatro con personas viendo una película.

Se muestran imágenes del teatro con personas viendo una película, desde varios ángulos.

Para empezar, vas a visualizar un grupo de personas viendo una película. Este acto se asemeja a las propiedades macroscópicas del fenómeno, es decir, cada componente del acto de mirar una película en un teatro, tiene un equivalente relacionado con las magnitudes involucradas en el evento de que un material sea superconductor bajo ciertas condiciones específicas.

7

Estudiantes en el teatro, de forma desorganizada. Se muestra la escena de entrada y el

En las tomas, se debe evidenciar el antes de la película, con personas estorbando y hablando

Para esto, se tienen en cuenta magnitudes como la temperatura, densidad de corriente y el campo magnético. Para que comprendas, imagina que hay dos actividades principales: el estado normal o antes de comenzar con



desorden de antes de la película como en el cine

personas desordenadas gasto de energía o conductor

8

Estudiantes en el teatro, viendo la película de manera organizada, cada uno sentado en una silla, atentos a la pantalla.

Diversas tomas que evidencien el durante la película con personas concentradas, sentadas cada una en una silla, atentas a la pantalla del teatro.

Y el estado de ver la película con personas ordenadas viendo la película o superconductor. Vamos a ver. Cada una de estas personas, son equivalentes a los electrones en un material superconductor. Esta, es la analogía más fundamental del video, ya que el comportamiento de los electrones dentro del material superconductor es la clave principal de la superconductividad.

9

Toma de un reloj en el teatro, ubicado en la entrada.

Aparecen estudiantes listos para entrar, la cámara resalta el reloj que indica la hora que comienza la película, la siguiente toma debe mostrar a un estudiante mirando su reloj esperando a que empiece el filme, otro mirando su celular, es decir pendiente de la hora, y de fondo se muestra en la imagen de la película permanentemente muestra el tiempo de rodaje y un reloj que muestra la hora, a pesar que no sea común verlo es necesario tenerlo presente durante este filme.

Sin embargo, no solo los electrones son necesarios en esta analogía. También, es importante conocer la relación entre el tiempo y la temperatura. Para ello, observarás que el tiempo que transcurre mientras todos observan la película en el cine.

10 Toma de estudiantes entrando a la

La primera toma, muestra a los estudiantes ingresando al teatro y tomando su lugar de forma

Entonces, la temperatura crítica a la que está sometida el conductor corresponderá al momento justo cuando comienza a rodar la película y las personas ingresan,

Anexos 75

película. Toma de boleta de ingreso, con la hora de inicio resaltada. Toma de los estudiantes saliendo de la película.

ordenada. Mientras esto sucede, una segunda toma enfoca la boleta al ingreso, donde aparece resaltada la hora de inicio. Se enfoca el reloj con la hora de inicio fijada. Luego, se realizan tomas que muestren a los estudiantes saliendo del teatro, para de esta manera hacer la analogía con el paso a temperatura no crítica del material, que se menciona en la narración.

mientras el material pasa a temperatura no crítica, cuando los electrones, es decir los estudiantes salen del teatro tras terminar la película.

11

Toma de personas en el teatro, sentados cómodamente mientras ven y escuchan la película.

Se muestran las personas viendo y escuchando la película, mientras en el transcurso del vídeo, se hace énfasis en el sonido de la película que se está proyectando en el teatro.

Ahora, para comprender el campo magnético al que se encuentra sometido un material superconductor, vamos a tomar como ejemplo el sonido de la película.

12

Toma de personas, afectadas por un alto ruido durante la proyección de la película.

Diversas tomas en las que las personas que estaban viendo la película cómodamente, empiezan a taparse los oídos y a sentir molestia por un ruido exagerado que se produce durante la proyección.

El campo magnético crítico, se relaciona con un ruido de fondo crítico, es decir, un alto nivel de decibeles que dificultan ver adecuadamente la película, con el cual se distraen los electrones.

13

Toma de personas sentadas en las sillas del teatro con una ubicación

Se debe mostrar, rápidamente, que cada estudiante tiene una ubicación espacial específica, para ello se jugará con tomas del

Debes tener en cuenta que, para este proceso, la densidad de corriente corresponde a los electrones que pasan por el área transversal del conductor, es decir, la cantidad de espectadores que están sentados en el



espacial adecuada. Toma de boleta de ingreso, resaltando el número de la silla en la que debe sentarse la persona.

número de la silla, la boleta con el número de silla resaltado y los estudiantes tomando el correspondiente lugar. Se hace necesario mostrar cómo ingresan al teatro, para tomar su correspondiente lugar sin dejar ninguna silla vacía.

teatro; cada uno ocupa un lugar en el teatro de acuerdo al lugar indicado por la boleta. Así, el número de sillas debe ser el adecuado, para que no se presente un exceso de electrones.

14

Toma de estudiantes, saliendo por una puerta con dirección al pasillo.

Esta toma debe estar dividida en dos fases, una donde se vea el pasillo muy grande y estudiantes saliendo cómodamente y otra en la que se vea que muchos estudiantes salen por el pasillo, haciendo que este se vea estrecho y se dificulte un poco el movimiento de las personas.

En este proceso, también es importante que identifiques la relación matemática que existe entre la densidad de corriente, los electrones y el área transversal. Para ello, ejemplificaré la cantidad de electrones que cruzan por un área transversal con el número de estudiantes que salen por el final de un pasillo, en determinada área que, para este caso, es una puerta. Como vemos, existe una relación entre las variables. La puerta corresponden al área por la cual se transportan los electrones. Si esta área aumenta, la densidad de corriente disminuye y si el área disminuye, la densidad de corriente aumenta, manteniendo así una relación inversamente proporcional.

15

Toma de muchos estudiantes en el teatro y poco espacio para sentarse.

Se requiere que en la toma, el teatro se vea pequeño para la cantidad de estudiantes y por tanto, estos deban sentarse de a dos o tres personas en una sola silla.

Por otro lado, la densidad de corriente crítica se asemeja a un excesivo número de espectadores que deben ocupar o sobrepoblar la cantidad de sillas disponibles en el teatro, esto distrae a los electrones dificultando la posibilidad de terminar de ver la película.

16 Personaje narrando

El personaje narra el texto de fondo (imagen 1)

La fase de transición es similar a ver una película correctamente, es decir, con las magnitudes en su

Anexos 77

cantidad apropiada. Cuando alguna de estas magnitudes afectan el estado superconductor el material sale de su estado, cambiar del estado superconductor al estado conductor es análogo a estar viendo adecuadamente la película o detenerla de repente y no verla.

17

Cortos ya grabados anterior mente, se necesita ver personajes ajenos a la película atravesándose entre el público y generando desorden y molestia entre los espectadores.

En este caso se deben mostrar el estar o no en estado superconductor, se muestran cortos de los ya grabados, donde afecta alta densidad de estudiantes, no empezar la película, escuchar a un volumen muy alto. (o imperfecciones del material, para esto se graban elementos ajenos a los electrones) (La fase de transición utiliza las tomas ya mostradas porque es el evento de ser o no superconductor), como todos los espectadores están vestidos de la misma manera se sugiere personas sin ese vestuario interrumpiendo, lo abuchean, apagan la película, u otra hablando por celular y no dejando escuchar a los demás, u otra prendiendo una linterna e incomodando a la gente.

La fase de transición es el momento justo cuando sucede el estado superconductor o conductor esto es análogo a estar viendo la película con todas las magnitudes explicadas anteriormente de forma adecuada, o no adecuada: una temperatura crítica o no, una densidad de corriente no crítica o no, un campo magnético no crítico o no. Igualmente las impurezas del material son análogas a materiales ajenos a los electrones en la película.



Título: Fenómenos microscópicos de la superconductividad

Espacio: Maizal (espacio ya ubicado y aprobado)

# Imagen Acción Audio

1 Animación La animación narra, de fondo la imagen que se tomara del maizal o un maizal animado

Bienvenido Hoy estamos acá, para conocer los fenómenos microscópicos de la superconductividad a partir de una analogía con un maizal. Este video permitirá describir los fenómenos microscópicos generales en un material superconductor.

2

Tomas de un maizal y tomas de personas caminando por un maizal

Tomas de un maizal uniforme, vista lateral y superior, que evidencie su linealidad y caminos por los cuales podrían pasar personas. Tomas de personas, caminando por medio del maizal. Estas tomas deben mostrar, también, el lateral y superior del maizal.

Esta semejanza se centra en las propiedades microscópicas del fenómeno e intrínsecas del material, es decir cada componente de un maizal y las personas que por este pueden caminar, tiene un equivalente relacionado con un componente del material superconductor o una magnitud física relacionada con el evento que un material pase al estado o no. Para esto, se tienen en cuenta magnitudes como temperatura, densidad de corriente, campo magnético y partes del material como los electrones y los átomos.

3

Animación que muestra de fondo un maizal y lo compara con el maizal digital.

Esta animación muestra la relación entre la planta de maíz y el átomo. La grabación muestra la planta de maíz, después muestra el campo de maíz, la animación va explicando que en

Así, los átomos son análogos a los tallos de maíz, la estructura en un material superconductor suele ser simétrica con respecto a la distribución espacial de los átomos

Anexos 79

esta caso estos dos elementos serán análogos, se debe hacer un fundido entre lo real y la animación para ir llevando al espectador a la idea general de la composición del material, los espacios del maizal y el que hay entre los átomos muestra simetría y orden en esta caso.

4

Toma de personas corriendo a través de un maizal. Los corredores o estudiantes pasan en los caminos del maizal de manera ordenada, las tomas deben mostrar personas que cruzan a través de estos caminos en diferentes lugares lateralmente corren de un lado a otro, de frente se acercan, por detrás se alejan, al momento de correr lo hacen con un trote suave y constante, mirando siempre al frente

Esta animación muestra la relación corredores / Electrones o caminantes / Electrones; los caminantes o corredores son estudiantes que caminan o corren a través del maizal.

Los corredores que atraviesan el maizal son semejantes a electrones que pasan por un material superconductor

5 Animación Tallo de maíz, en ambiente

La animación muestra un tallo de maíz en el día, por donde pasan

La temperatura del material es similar a la temperatura del campo de maíz. Una



frio, pasando a ambiente caliente.

personas y este vuelve a ponerse recto, pero cuando llega la noche esto no sucede este conserva la posición donde quedo desde que empezó haciendo frio

temperatura cálida hace que los átomos permanezcan en su posición inicial sin mostrar modificación o si estos se doblasen retoman su posición inicial, mientras en un día frio, los tallos al ser tocados se doblan "sin dañarse” conservando la posición doblada que generó la persona o electrones al pasar.

6

Personas pasando por un campo de maíz y los maizales quedan doblados

Esta grabación debe mostrar como al pasar los corredores por el maizal este al estar frio mantiene los caminos generados por los corredores, acá podemos simular las inclinaciones con personas que al pasar los corredores doblen un poco el maizal.

La temperatura crítica en el material se puede ejemplificar con los tallos de maíz que, al hacer baja temperatura, mantienen los caminos de los corredores, es decir estos no se ponen rectos después de doblarlos.

7 Viento que fluye por un maizal

En el maizal se graba el viento que fluye a través del maizal sin modificar la posición de los tallos de maíz.

Ahora, el campo magnético es análogo al viento que en ese momento fluye por el maizal.

8 Viento extremo que fluye por un maizal

En el maizal se graba un ventarrón que modifica la posición de los tallos de maíz (puede ser animación), se puede simular el ventarrón con un compresor de fondo que movería el maizal de repente. El sonido de viendo es importante, para el movimiento brusco podemos hacerlo con personas que muevan el maizal con hilos.

El campo magnético critico se parece a un flujo de aire lo suficientemente fuerte para que modifique la posición de los tallos de maíz y se borren los caminos de los corredores

9

Corredores atravesando el campo de maíz de manera ordenada

Un determinado número de corredores que caminan de manera ordenada por el maizal.

Así mismo, la densidad de corriente es análoga al número de corredores que pasan por un camino

Anexos 81

10

Gran flujo de corredores en el campo de maíz, corren de manera desorientada y desordenada

En este caso se quiere mostrar como un alto número de corredores generaría varios caminos por donde no es claro cómo llegar al objetivo o cruzar de una manera adecuada el maizal este flujo de corredores no daña el maizal simplemente no se corre por los caminos podemos indicarle a una estampida de estudiantes que camine a través del maizal como buscando algo perdido o jugando a coger a alguien en desorden es decir diferentes direcciones.

Donde la densidad de corriente crítica se asemeja a un alto número de corredores que atraviesan el maizal sin tener claridad en el camino que recorren, pudiendo extraviarse y generando curvas o diferentes caminos a los ya existentes.

Observaciones:

En la plantilla, el título corresponde a un tema o subtema a desarrollar.

La numeración corresponde a cada toma (imagen/acción diferente) en un espacio en particular.

La imagen hace referencia a la generalidad de lo que se vería en la pantalla cuando se observe el video. Lo que toma la cámara. Durante la grabación, el director del video y/o el camarógrafo sugieren y/o deciden cuál es la mejor distancia, posición y/o movimiento de cámara (encuadre) para esa toma de acuerdo al propósito de la acción.

Acción es lo que ocurre en ese espacio en particular: narrar, demostrar, escribir, experimentar, manipular un objeto, etc.

Audio es lo que se escucha durante la acción: voz directa o indirecta (voz off) música, sonido ambiente (cafetería, tráfico calle, laboratorio, dialogo entrevista, multitud estadio, etc.).

Rémberk Galeano.

Coordinador Audiovisuales DNI



C. Pretest

El siguiente test pretende cuantificar conocimientos previos relacionados con calor, temperatura y electromagnetismo

1. De las siguientes definiciones cual está más relacionada con el calor A. El calor está relacionado con un fluido que puede transferirse

de un cuerpo a otro B. El calor se puede explicar a través del éter este tiene la

capacidad pasar de un cuerpo a otro son contacto. C. El calor es una forma de energía y cumple sus principios

fundamentales ya que no se crea ni se destruye D. El calor no es una energía pero puede transferirse de un

cuerpo a otro a través del contacto 2. De las siguientes definiciones cual está más relacionada con la

temperatura a. La temperatura mide la cantidad de calor que tiene un cuerpo b. La temperatura es la medida de la energía cinética promedio

de las partículas de un cuerpo c. La temperatura me permite medir si un cuerpo está caliente d. La temperatura me permite medir si un cuerpo esta frio

3. El efecto joule está relacionado con A. El enfriamiento que presentan algunos cuerpos cuando pasa

corriente eléctrica B. El calentamiento que presentan algunos cuerpos cuando pasa

corriente eléctrica C. La dilatación que presentan algunos cuerpos cuando se

calientan D. La contracción que presenta algunos cuerpos cuando se

enfrían 4. las magnitudes proporcionales al calor en el efecto joule son

a. voltaje, resistencia y corriente b. corriente, voltaje, y tiempo c. tiempo, resistencia, longitud del cuerpo d. área transversal, tiempo y resistencia

5. de las siguientes definiciones cual es la más adecuada para la corriente

A. la corriente son los electrones que vibran en el material B. la corriente está relacionada con el voltaje y la resistencia C. la corriente está relacionada con la ley de ohm D. la corriente es la carga que pasa en el tiempo

6. si se pudiera describir cualitativamente la corriente esa descripción seria

Anexos y Bibliografía 83

A. Como electrones que se desplazan en alguna dirección por un material en determinado tiempo

B. Como electrones que van y vienen en un instante de tiempo t=0

C. Como cargas que interactúan con un campo magnético D. Como cargas que interactúan con un campo eléctrico

7. la densidad de corriente se puede entender como A. La masa del electrón sobre su volumen B. La cantidad excesiva de electrones sobre una superficie

electrostática C. Los electrones que pasan por determinada área transversal D. Las cargas que pasan por un área superficial

8. si la densidad de corriente aumenta que podría sucederle al material superconductor

A. el material se dilata disminuyendo su tamaño B. el material se puede calentar por el efecto joule C. el material se puede enfriar por el efecto joule D. el material cambia su estado a liquido o gaseoso

9. La resistividad eléctrica de un material está relacionada con A. La capacidad de un material permitir el flujo o no de calor B. La capacidad de un material de permitir el paso de

electrones o no C. La capacidad de un material de permitir voltaje o no D. A capacidad de un material de dilatarse o no

10. Para disminuir la resistencia de un material en función de la resistividad se puede hacer disminuyendo a. El área b. La longitud c. La cantidad de electrones d. El tiempo



D. Postest


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Estrategia didáctica para abarcar conceptos de ...bdigital.unal.edu.co/64594/1/80864239.2018.pdf · implementación de analogías, experimentación, aprendizaje en contexto, actividades