24.10.04

¿Qué podemos esperar del trabajo práctico en las clases de ciencias?

Ya en el siglo XVII, John Locke propuso la necesidad del trabajo práctico en la formación de los alumnos. El trabajo práctico disfrutó de su época dorada en los años 70, cuando surgieron proyectos como CHEM o Nuffield que indirectamente planteaban que para aprender ciencias había que trabajar como un científico. Exigían un trabajo práctico permanente para que los alumnos, con el apoyo del profesor, adquirieran por sí solos los fundamentos conceptuales.

Hoy existe cierta unanimidad entre el profesorado de ciencias en considerar que el trabajo práctico es importante, pero también existe cierto escepticismo sobre su eficacia en términos de aprendizaje. Son varias las investigaciones que no han conseguido mostrar la eficacia y la bondad del trabajo práctico realizado, y casi todos hemos sufrido una cierta decepción al comprobar cómo algunos alumnos desaprovechaban el tiempo en el laboratorio, a pesar del potencial formativo de una práctica que habíamos preparado con ilusión. Lo mismo ocurre con las demostraciones, que han ido abandonándose progresivamente al entender que el esfuerzo de preparación no compensaba claramente el beneficio obtenido.

Lo cierto es que en el ámbito de la motivación y, en cierta medida, de la promoción del cambio conceptual, el trabajo práctico juega un papel insustituible. Puede que con la experimentación los alumnos aprendan lo mismo, pero lo hacen de una forma diferente. Una opción razonable para favorecer el trabajo práctico es recurrir a un número no muy elevado de experimentos, simples pero muy sugerentes, para que impacten y susciten nuevas preguntas.

ALGUNAS SUGERENCIAS

1. Recuperar las demostraciones, sin descuidar otras formas de trabajo práctico más participativo. Una demostración bien elegida puede aportar al estudio de las ciencias esa “inspiración ¡ajá!” que las hace un poco mágicas. No se trata de experiencias de cátedra complejas, sino de experimentos muy sencillos y sugerentes. Lo ideal sería que cada clase tuviera su momento “¡ajá!”, más o menos creativo pero siempre inspirador, para que el alumno vea que la Ciencia no es una estructura de teorías rancias sino una forma muy especial de hacer preguntas a la naturaleza.

2. Utilizar los recursos interactivos para la motivación y el refuerzo. Las actividades interactivas se basan en los minijuegos de ordenador, algo que forma parte de la experiencia habitual de muchos niños y adolescentes. El juego engancha porque se basa en la acción, no en la teoría; exige una frecuente toma de decisiones, ofrece resultados a corto, medio y largo plazo, se adapta al ritmo de cada jugador y ofrece una retroalimentación inmediata. En las etapas obligatorias, es mejor utilizar modelos animados y juegos interactivos que simulaciones. Las simulaciones son más adecuadas como ampliaciones a un trabajo experimental previo. Lo virtual carece de significado si no está construido sobre experiencias reales.

3. Aprovechar grandes acontecimientos, como la Feria Madrid por la Ciencia, o eventos más modestos, como la semana de la ciencia de los propios centros escolares, para convertir a los alumnos en monitores científicos. El paso de receptor a emisor cambia por completo la perspectiva del alumno, hace que sienta la ciencia como algo propio y enciende más de una inquietud.

21.10.04

Enseñanza de las ciencias. ¿Por dónde empezar?

- Acabo de llegar. ¿Qué tengo que hacer para llegar a tu casa?
- Dime dónde estás ahora y te indico el camino.

Seguro que daríamos una respuesta parecida a un amigo que nos fuera a hacer una visita. Es lógico, ¿verdad? Pues en las clases de ciencias no siempre ocurre así. Queremos que los alumnos lleguen a un determinado lugar (un objetivo curricular) y se nos olvida a veces que cada uno parte de lugares distintos. “Toma la primera a la derecha”, les decimos a todos... y claro, muchos se nos pierden. No queda más remedio que averiguar dónde está cada alumno antes de empezar, porque el “café para todos” no sirve en el aula. Y si esto es cierto en todas las áreas, es especialmente delicado en Ciencias, porque el alumno viene ya provisto de un entramado de preconceptos que inevitablemente entran en conflicto con la ciencia que les vamos a enseñar.

Las actividades iniciales son muy importantes. Deben servir para generar interés por el tema, para proporcionar un hilo conductor que le dé unidad y sobre todo para ayudar a explicitar las ideas previas de los alumnos. Las actividades iniciales nos permitirán establecer una secuencia más centrada en el alumno y no tanto en la lógica propia de la Ciencia. Tendremos que partir de la experiencia del alumno, ir progresivamente de lo concreto a lo abstracto, comenzar por visiones generales y seguir un tratamiento en espiral, no lineal.

Los alumnos usan espontáneamente sus ideas previas -o concepciones alternativas- para enfrentarse a problemas o fenómenos científicos. Suelen ser ideas coherentes, con cierta lógica interna, y sobre todo muy persistentes, de modo que tienden a mantenerse inalteradas incluso tras la intervención educativa, especialmente si han surgido de la experiencia directa. Hay que saber que incluso en el caso de que las ideas previas se expliciten previamente y se sometan a un buen trabajo en el aula, es probable que no lleguemos a modificarlas con la instrucción. De hecho, ya no se suele hablar de cambio conceptual, sino de debilitamiento de las concepciones previas y fortalecimiento de las nuevas.

El problema es que la interiorización de las ideas solo puede hacerla el propio aprendiz. Hay que convencerlo de que la nueva idea, extraña para él, es mucho mejor que la que él tenía, pero de nada sirve decirle lo que debe ser y lo que no debe ser; debe aprenderlo por sí mismo. Y lo malo es que no hay estrategias didácticas definitivas para abordar el cambio conceptual. Una pequeña pista para allanar el camino: los alumnos más creativos responden bien a una metodología por descubrimiento guiado, mientras que los alumnos que anteponen la seguridad responden mejor a una metodología más tradicional.

19.10.04

La naturaleza no natural de la ciencia

El título lo tomo de un interesante ensayo de Lewis Wolpert (Ed. Acento). La ciencia suele presentarse desde el punto de vista del científico, es decir, desde la lógica interna del área. Sin embargo, la percepción del alumno es radicalmente distinta. Su lógica tiene que ver con su experiencia personal, que no suele llevarse bien con las teorías científicas que le cuenta el profesor.

Lo que resulta lógico para el profesor es antinatural para el alumno. Antinatural en el sentido estricto de la palabra, porque contradice su experiencia directa. Por ejemplo, la experiencia le dice al alumno que una mesa se mueve solo mientras la empuja, diga lo que diga la Primera Ley. Y no acaba de creerse eso de que las fuerzas actúan por parejas (“O sea -podría pensar el alumno-, que cuando juego al fútbol el balón me devuelve cada patada”), ni eso de que la materia está prácticamente hueca (“si toda mi masa corporal ocupa menos que una mota de polvo, ¿por qué es tan difícil entrar en un vagón de metro en hora punta?, o ¿por qué no puedo atravesar una pared de hormigón, como un fantasma?”). El profesor ha interiorizado tras muchos años de estudio un complejo entramado de principios y teorías científicas que le son muy útiles para explicar el mundo que le rodea, y se olvida a veces de la naturaleza no natural de la ciencia que enseña.

El modelo constructivista nos muestra que el alumno construye activamente los conocimientos a partir de las ideas ya existentes en sus estructuras mentales. Por tanto, el aprendizaje está condicionado por los conocimientos previos y por la experiencia, y a partir de aquí el alumno construye su propio significado. Esto explica que cuando se presentan conflictos entre la visión científica y la experiencia del alumno, la ciencia tiene poco que hacer: probablemente vencerá la experiencia personal. El alumno estudiará lo necesario para sacar los exámenes, incluso con buena nota, pero lo normal será que mantenga inalteradas sus ideas previas, aunque sean erróneas desde el punto de vista científico. Por ejemplo, los alumnos tienen tendencia a transferir los cambios macroscópicos al nivel microscópico (partículas que se dilatan, átomos que poseen color...). También tienen una visión continua de la materia, incompatible con la teoría cinética. El movimiento de los cuerpos se rige por la física aristotélica, y los intercambios térmicos por el modelo del calórico. Lógicamente, muchas de las ideas observadas están en paralelo con el desarrollo histórico de los conceptos científicos.

El problema es que muchos de los esquemas ya existentes en la estructura cognitiva de los alumnos son incoherentes con la ciencia formal. El reto para el profesor de ciencias consiste en plantear situaciones que pongan en evidencia la inconsistencia de esos modelos ingenuos del alumno y tratar de construir una estructura más coherente desde el punto de vista de la ciencia.

8.10.04

Nobel de Física... a la creatividad

El premio Nobel de Física de este año parece surrealista: el descubrimiento de la libertad asintótica, nada más y nada menos. Se trata de una propiedad muy extraña de los quarks, componentes íntimos de las partículas nucleares. Esta propiedad contradice todas las interacciones conocidas: la fuerza de atracción entre dos quarks aumenta a medida que aumenta la distancia que los separa, y se hace despreciable cuando están muy juntos. Para entenderlo, hay quien recurre a la analogía de una pareja que se echa de menos cuando están lejos y se ignoran cuando están juntos.

Los quarks no se pueden ver, ni obtener de manera aislada. Siempre están combinados, bien de tres en tres, como en el protón y el neutrón, bien de dos en dos, como en los hadrones. ¿Para qué sirven?, se preguntará más de uno. Bueno, para entender mejor la naturaleza de las cosas. Es ciencia básica, sí, poco útil en apariencia pero imprescindible para dar soporte a la ciencia aplicada. Puede que esta rareza de la libertad asintótica sea la clave para los ordenadores cuánticos del futuro o acabe materializándose en plasma de quarks y gluones para reactores de fusión.

Lo que me llama de verdad la atención es el proceso mental que lleva a desarrollar estos modelos tan divergentes. Allá por 1960 Murray Gell-Mann propuso el modelo de los quarks para explicar los extraños resultados de los experimentos de colisión en los grandes aceleradores de partículas que se desarrollaron por esa época. Casi a diario se obtenía alguna nueva partícula aparentemente elemental. ¿Cómo podía ser tan complicada la naturaleza? Gell-Mann analizó esas nuevas familias de partículas supuestamente elementales y descubrió que todas se podrían construir con unas piezas mínimas, que llamó quarks. Es cierto que nadie los había detectado, y que tenían propiedades muy extravagantes: un protón, por ejemplo, estaría formado por tres quarks, dos del tipo up, con 2/3 de la carga del protón y 1/3 de la masa, y otro de tipo down, con la misma masa y carga –1/3 del protón. Por retorcida que parezca la hipótesis, lo cierto es que funciona a la perfección, y Gell-Mann recibió el Nobel en 1969 como reconocimiento a su sorprendente modelo.

Claro que dejó muchas sombras. Si el protón está formado por dos quarks u y un quark d, ¿cómo es posible que se mantenga estable, a pasar de la descomunal repulsión entre cargas del mismo sentido que predice la teoría electromagnética? Debería desintegrarse de inmediato, cosa que evidentemente no ocurre. La misma paradoja se da en un núcleo estable con varios protones. La atracción gravitatoria entre los protones es insignificante debido a la pequeña masa de esas partículas y, sin embargo, la repulsión electromagnética es enorme, debido a la pequeña distancia. ¿Qué mantiene unido al núcleo?

Bueno, pues David J. Gross, H. David Politzer y Frank Wilczek reogieron el guante que lanzó Gell-Mann y decidieron afrontar las incoherencias del modelo de quarks. En 1973 propusieron una elegante teoría llamada Cromodinámica cuántica. El nombre era así de caprichoso porque decidieron llamar “color” a una propiedad que debían tener los quarks para que verificaran el Principo de exclusión de Pauli, considerado como una ley universal. Hay partículas construidas hasta con tres quarks idénticos, y el principio de exclusión dice que no pueden compartir el mismo estado, por lo que deberían tener alguna propiedad que permitiera diferenciarlos. Esta propiedad se llamó “color”. Los quarks deben tener “carga de color” del mismo modo que poseen carga eléctrica. Así que cada quark puede existir con tres “colores” diferentes –se les asigna el rojo, azul y verde- y cada antiquark con tres “anticolores”, que se hacen corresponder con los complementarios -cian, amarillo y magenta-. Los quarks se combinan de modo que los colores respectivos dan lugar al blanco.

Pero la cosa se puede complicar mucho más. La interacción que mantiene unidas las partículas nucleares es una fuerza de extraordinaria intensidad, llamada interacción fuerte. Es unas cien veces superior a la electromagnética, aunque su alcance es limitado. Los quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de gluones, unas partículas que son los mediadores de la interacción fuerte. Los gluones nunca son “incoloros” de modo que los quarks cambian de color cada vez que absorben o emiten un gluón, aunque el cambio se realiza sin que se modifique el “color blanco” de la partícula. ¿A alguien le había extrañado el nombre de Cromodinámica?

No voy a entrar al detalle de las familias de quarks, ni del modelo estándar, ni de la búsqueda de la teoría del todo. Me quedo en una profunda admiración por la cabeza privilegiada de estas personas capaces de generar, a contracorriente de todo lo establecido, una teoría tan creativa y tan sugerente. ¿De qué pasta estará hecho el cerebro de estos físicos?

3.10.04

Fusión Nuclear. ¿Para cuándo dice que lo quiere?

En plena guerra de precios del petróleo y bajo el anuncio de implantación del protocolo de Kioto es normal que resurja el interés por la energía nuclear, tanto en su versión de fisión –una cuestión olvidada que ahora disfruta de un nuevo “renacer”- como de fusión, un método que, puestos a soñar, sí que merece la pena.

Como en un cuento de hadas, la fusión nuclear es una fuente de energía limpia, abundante e inagotable. Se trata de un proceso en el que los núcleos de dos isótopos de hidrógeno (podrían ser otros elementos ligeros) se unen para formar un nuevo núcleo de masa ligeramente inferior a la suma de masas de partida. Esa pequeña pérdida de masa se transforma íntegramente en una considerable cantidad de energía, que podemos determinar mediante la conocida ecuación de Einstein E=mc2, donde m es la masa transformada y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Esta energía es más habitual de lo que parece: es la fuente energética del Sol y de las estrellas. Pero reproducirla en la Tierra es harina de otro costal. El problema es que hace falta una energía descomunal para lograr que los núcleos de los átomos de hidrógeno lleguen a fusionarse. Recordemos que la fuerza de repulsión entre los núcleos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa, de modo que a medida que se aproximan la fuerza de repulsión crece exponencialmente.

Para vencer esa fuerza repulsiva hacen falta temperaturas de millones de grados. Curiosamente el problema de este método de fusión, llamado termonuclear, no es tanto conseguir esas gigantescas temperaturas a las que la materia se encuentra en un estado ionizado llamado plasma, sino encontrar la forma de retener ese plasma de partículas en un espacio determinado. Hay otros métodos para provocar la fusión a menor temperatura -por ejemplo, utilizando muones como mediadores- pero carecen de interés desde el punto de vista de su posible aprovechamiento energético.

Hay dos procedimientos clásicos para lograr la fusión termonuclear, el confinamiento inercial y el magnético. En ambos casos no existen materiales capaces de soportar las temperaturas necesarias para iniciar la fusión. La forma de confinar el plasma debe ser, por tanto, algo inmaterial, hecho de campos electromagnéticos.

En el método de fusión por confinamiento magnético el plasma se mantiene retenido mediante una especie de botella magnética en forma de donut, un campo magnético toroidal que obliga a las partículas ionizadas a moverse en su interior sin rebasar las paredes. Un buen ejemplo de este tipo de confinamiento es el Tokamak que funcuiona desde hace años en el Ciemat, en el campus de la Complutense de Madrid, bajo la dirección de Carlos Alejandre. En el Tokamak la densidad de partículas de plasma es baja, y el tiempo de confinamiento de varios segundos. Justo lo contrario de lo que ocurre en el método de confinamiento inercial, en que la densidad es elevadísima y el confinamiento del orden de picosegundos (10 a la menos doce segundos).

Para provocar la fusión por confinamiento inercial se suele partir de un blanco de deuterio o tritio (isótopos de hidrógeno) de unos pocos milímetros de tamaño, sobre el que se hace incidir un láser de alta energía (o haces de iones o de rayos X) de modo que durante unos breves instantes se concentre la energía necesaria para provocar la fusión, desprendiéndose en ese caso más energía de la utilizada. La idea consiste en repetir el proceso con un ritmo suficiente para que la energía desprendida pueda recuperarse y transformarse en electricidad como en una planta convencional.

¿PARA CUÁNDO DICE QUE LO QUIERE?

Cuando me contaban estas cosas en la universidad, hace más de dos décadas, me aseguraban que en veinte años se resolverían todos los problemas y que la energía de fusión sería comercial.

A lo largo de estas décadas se han hecho notables avances en la tecnología, y hay proyectos muy prometedores, que sin duda permitirán un avance significativo. Es el caso del ITER, un gigantesco Tokamak cuya instalación en Cataluña fue desestimada y aún no se sabe si se instalará en Francia o en Japón. Lo que no ha cambiado nada es lo del plazo de veinte años, que sigo oyendo cada vez que asisto a un foro sobre este tema. También hoy, varias décadas después, sigue siendo la fecha mágica anunciada. ¿Disfrutaremos en veinte años de la energía de fusión?