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República Bolivariana de Venezuela Universidad Nacional Abierta Vicerrectorado Académico Área de Educación – Mención Matemática Matemáticas y Ciencias (Cod. 532) Julio Mosquera Caracas, 2008 Índice Introducción ........................................................................................... i Módulo I ................................................................................................ 7 Unidad 1 ........................................................................................... 8 Lección 1 ..................................................................................... 9 Unidad 2 ........................................................................................... 28 Lección 2 ..................................................................................... 29 Unidad 3 ........................................................................................... 35 Lección 3 ..................................................................................... 36 Lección 4 ..................................................................................... 42 Módulo II ............................................................................................... 48 Unidad 4 ........................................................................................... 49 Lección 5 ..................................................................................... 50 Lección 6 ..................................................................................... 57 Unidad 5 ........................................................................................... 66 Lección 7 ..................................................................................... 67 Lección 8 ..................................................................................... 71 Unidad 6 ........................................................................................... 75 Lección 9 ..................................................................................... 76 Lección 10 ................................................................................... 83 Unidad 7 ........................................................................................... 84 Lección 11 ................................................................................... 85 Lección 12 ................................................................................... 88 Introducción El propósito de esta asignatura es estudiar aplicaciones de las matemáticas a otras disciplinas, así como los usos de estas aplicaciones en la enseñanza de la matemática. Es oportuno aclarar que éste no es un curso de aplicaciones de las matemáticas para matemáticos, se trata de un curso para futuros profesores de matemáticas. Por tanto, se le dará importancia a la discusión de asuntos pedagógicos en torno al uso de las matemáticas para resolver problemas reales en diversos campos. Parte de la riqueza de las matemáticas se encuentra en el apoyo que le brinda a otras disciplinas para su desarrollo. Hay ciencias como las físicas que son impensables hoy en día sin las matemáticas, para las matemáticas son más que una mera herramienta. Por otro lado, hay situaciones en las cuales sólo es posible experimentar mediante el uso de las matemáticas. Tal es el caso del uso de las matemáticas en la investigación de problemas sobre la dinámica de las epidemias. Consideramos que estudiar conceptos y procedimientos matemáticos en contextos reales podría contribuir a que los estudiantes le den un significado diferente al que promueve la clase tradicional de matemáticas. En especial tenemos en mente al estudiante de III Etapa de Educación Básica y el de Media Diversificada y Profesional, por ser estos los niveles donde laborará el egresado de nuestro programa de Licenciatura en Educación mención Matemática. Las aplicaciones pueden ser un medio para estimular la creatividad de los futuros docentes, de tal manera que puedan darle un enfoque innovador a sus clases de matemáticas. Así mismo es importante estudiar los problemas de enseñanza, aprendizaje y evaluación de las matemáticas asociados al uso de aplicaciones de la matemática. El perfil del egresado de la Carrera de Educación Mención Matemática se conforma a partir de habilidades, actitudes y conocimientos que aluden a la acción docente en general. Esta unidad curricular permitirá, a los futuros egresados, el desarrollo de los siguientes rasgos del conocer, del hacer y del ser: Establecer interrelaciones significativas entre las diferentes ramas de las matemáticas y otros ámbitos del saber humano. El contenido del curso está organizado en dos módulos, siete unidades y doce lecciones como se indica a continuación. Se estima que cada lección se realiza en una semana. Unidad 1 Lección 1 Unidad 2 Lección 2 Lección 3 Módulo I Unidad 3 Lección 4 Lección 5 Unidad 4 Lección 6 Lección 7 Unidad 5 Lección 8 Lección 9 Unidad 6 Lección 10 Lección 11 Módulo II Unidad 7 Lección 12 Para estudiar el contenidos de este curso el estudiante recibirá un paquete instruccional compuesto por: a) El plan de curso y b) Texto UNA. Universidad Nacional Abierta 6 Módulo 1 Matemáticas y ciencias en la educación secundaria Objetivo: Valorar las diferentes relaciones de las matemáticas con las ciencias naturales y sociales en el contexto de la educación en matemáticas. Unidad 1 Integración en el Área de Matemática y Ciencias Objetivo: Describir las diferentes formas de integración de los contenidos de matemáticas y otras disciplinas en la escuela. 9 Lección 1 En esta lección estudiaremos diferentes formas de integración de los contenidos de Matemáticas y Ciencias en la Tercera Etapa de Educación Básica y en la Educación Media Diversificada y Profesional. El contenido de esta lección está organizado en dos partes principales. En la primera parte discutiremos algunos asuntos relacionados con la integración del currículo en general y con las ideas de multidisciplinariedad, interdisciplinariedad y transdisciplinariedad. La segunda parte está dedicada enteramente al problema concreto de la integración en el Área de Matemáticas y Ciencias. Integración y Currículo El debate en torno a la integración del currículo no es nada nuevo. A principio de los años de 1900, cuando aparecen las primeras propuestas sobre el uso del método de proyectos en la enseñanza de las ciencias en la escuela en los Estados Unidos, ya se debatía sobre la conveniencia de enseñar las asignaturas de manera integrada en torno a un proyecto. En nuestro país, se introduce la integración oficialmente en los programas de estudio a partir de la reforma educativa que implantó, a mediados de los años 1980, la Educación Básica de nueve grados. Recientemente, con la introducción del sistema educativo bolivariano, se ha reanimado la discusión en torno a este tema. No existe una única manera de integrar los contenidos estipulados en los programas de estudio. En la sección siguiente estudiaremos diferentes niveles o formas de integración. Tampoco existe una definición única de currículo integrado. Veamos a continuación varias de estas definiciones. Dressel (1958) nos habla del currículo integrado como una forma de comprender el mundo, para él En el currículo integrador, las experiencias de aprendizaje planificadas no sólo proveen al estudiante de una visión unificada de conocimiento sostenido comúnmente (por el aprendizaje de los modelos, sistemas y estructuras de la cultura) sino también motiva y desarrolla el poder de los estudiantes para percibir nuevas relaciones y entonces crear nuevos modelos, sistemas y estructuras. (p. 3)(Traducción del autor) Humphreys (en Humphreys, Post y Ellis, 1981) señala que Un estudio integrado es aquel en el cual los niños exploran ampliamente el conocimiento en varias asignaturas relacionado con ciertos aspectos de su ambiente. (p. 11) (Traducción del autor) Para Shoemaker (1989) un currículo integrado es aquel en que la educación … es organizada de manera tal que atraviesa las líneas de las materias (disciplinas), juntando varios aspectos del currículum en una asociación significativa centrada en amplias áreas de estudio. Ésta ve el aprendizaje y la enseñanza de una manera holística y refleja en mundo real, el cual es interactivo. (p. 5) (Traducción del autor) ¿Qué elementos tienen en común estas definiciones? Lake (2001) resalta que, en términos generales, las definiciones de currículo integrado incluyen los elementos siguientes: Una combinación de asignaturas (disciplinas). Universidad Nacional Abierta 10 Un énfasis en proyectos. Fuentes de información que van más allá que los libros de texto. Relaciones entre conceptos. Unidades temáticas como principios organizadores. Horarios flexibles. Agrupamiento flexible de los estudiantes. (p. 2) (Traducción del autor) Actividad 1.1 a) Lea el Anexo A. b) ¿Son estas concepciones del currículo coherentes con la actual propuesta curricular para el Liceo Bolivariano? c) ¿Cuáles de los elementos distinguidos por Lake (2000) se incorporan a la propuesta curricular para el Liceo Bolivariano? d) Identifique la concepción de currículo integrado propuesta en el documento del Liceo Bolivariano. Nota: Ver en el Anexo A un extracto del documento donde se trata lo relacionado con la integración curricular. El documento completo puede ser consultado en la dirección electrónica: http://www.portaleducativo.edu.ve/documentos/liceo_bolivariano.pdf Y el documento oficial de las Escuelas Robinsonianas lo encontrará en la dirección: http://www.portaleducativo.edu.ve/documentos/escuelas_tecnicas.pdf Hemos visto que existen diferentes definiciones de currículo integrado, que entre ellas tienen una serie de elementos comunes, y se le pidió que examinara si esas concepciones eran coherentes con la propuesta curricular para el Liceo Bolivariano y cuáles de esos elementos se incorporaban a dicha propuesta. Pasaremos ahora a revisar diversas maneras de integrar los contenidos en la enseñanza. Niveles de integración Como ya mencionamos anteriormente, hay varias maneras de integrar los contenidos. Forgarty (1991) plantea el tema de la integración en términos de niveles que van desde el modelo fragmentado hasta el modelo en red. A continuación presentamos una tabla con cada uno de los modelos, donde se incluyen una breve descripción, ventajas y desventajas de cada modelo. Tabla 1. Diez niveles de integración del currículo Modelo Descripción Ventajas Desventajas Fragmentado Disciplinas distintas y separadas. Punto de vista claro y discreto de una disciplina. Las conexiones no se hacen con claridad para los estudiantes; menos transferencia de conocimiento. Conectado Temas dentro de una disciplina son conectados. Los conceptos clave son conectados, conduciendo a la revisión, reconceptualización y asimilación de ideas dentro de una disciplina. Las disciplinas no son relacionadas; la atención del contenido permanece dentro de la disciplina. Matemáticas y Ciencias 11 Tabla 1. (Cont.) Modelo Descripción Ventajas Desventajas Anidado Habilidades de pensamiento, sociales y contenido son tratados en un área de contenido. Presta atención a varias áreas a la vez, lleva a un aprendizaje aumentado y enriquecido. Los estudiantes podrían confundirse y perder la visión de los conceptos principales de la actividad o lección. Secuenciado Ideas similares son enseñadas concertadamente, aunque las asignaturas están separadas. Facilita la transferencia del aprendizaje a través de las áreas de contenido. Requiere colaboración permanente y flexibilidad, en la medida que los profesores tiene menos libertad de establecer la secuencia del currículo. Compartido Planificación y/o enseñanza en equipo que envuelve dos asignaturas se centra en conceptos, habilidades y actitudes compartidas. Comparte experiencias instruccionales; con dos profesores en un equipó es menos difícil de colaborar. Requiere de tiempo, flexibilidad, compromiso y dedicación. Entretejido Enseñanza temática, usando un tema como una base par ala instrucción en muchas disciplinas. Motivante para los estudiantes, les ayuda a ver conexiones entre ideas. Tiene que ser cuidadosamente y bien pensado seleccionado para que sea significativo, con contenido relevante y rigurosos. Enhebrado Habilidades de pensamiento, habilidades sociales, inteligencias múltiples y habilidades de estudio son “enhebradas” a lo largo de las disciplinas. Los estudiantes aprenden acerca de cómo están aprendiendo, facilitando la transferencia futura de aprendizaje. Las disciplinas se mantienen separadas. Integrado Prioridades que solapan varias disciplinas son examinadas para habilidades, conceptos y actitudes comunes. Estimula a los estudiantes a ver las conexiones e interrelaciones entre disciplinas, los estudiantes son motivados en la medida que ven estas conexiones. Requiere de equipos interdepartamentales con planificación y tiempos de enseñanza comunes. Sumergido El estudiante integra viendo todo el aprendizaje por medio de la perspectiva de una área de interés. La integración toma lugar dentro del estudiante. Podría estrechar la visión de los estudiantes. Universidad Nacional Abierta 12 Tabla 1. (Cont.) Modelo Descripción Ventajas Desventajas En red El estudiante dirige el proceso de integración por medio de la selección de una red de expertos y recursos. Proactivo, con un estudiante estimulado por nueva información, habilidades y conceptos. Los estudiantes podrían extenderse sin profundizar en el estudio, los esfuerzos podrían ser poco efectivos. Fuente: Forgarty, R. (1991). Traducción y adaptación de Julio Mosquera Para mejorar la comprensión de los modelos de integración le presentamos a continuación una serie de ejemplos que sirven para ilustrar cada uno de ellos. En los ejemplos se incluyen contenidos de todas las disciplinas, porque la integración no tiene porque limitarse sólo a las matemáticas y las ciencias naturales. Por ejemplo, en la Unidad 7 del Curso Introductoria de la UNA se presentan ejemplos de integración de las matemáticas con la literatura y el arte. Tabla 2. Ejemplos de Cada Nivel de Integración Modelo Ejemplo Fragmentado Relación ocasional, intencional de tópicos de matemáticas y ciencias dentro de intervalos de tiempo distintos para cada asignatura. Conectado Las conexiones entre conceptos son identificados (por ejemplo, las fracciones son relacionadas con los decimales). Anidado Una unidad sobre la fotosíntesis se enfoca en la búsqueda de consenso (habilidad social), secuenciación (habilidad de pensamiento) y vida de las plantas (habilidad de contenido). Secuenciado Los estudiantes leen una obra literaria de un cierto período en Castellano y Literatura y estudian el mismo período en Historia Universal o Historia de Venezuela. Compartido La recolección de datos (ciencia) y la elaboración de tablas y gráficos (matemáticas) son introducidos juntos (podían ser enseñado por un equipo de profesores). Entretejido Un tópico (la oración) o tema conceptual (conflicto) se trata en todas las áreas de contenido. Enhebrado La predicción es tratada en todas las asignaturas—prediga el próximo evento en una lectura, prediga el próximo número en una sucesión y proyecto eventos actuales en estudios sociales. Matemáticasy Ciencias 13 Tabla 2. (cont.) Modelo Ejemplo Integrado Habilidades de lectura, escritura, literatura y verbal en un programa holístico basado en la literatura. Sumergido Un estudiante altamente motivado, interesado en los insectos los colecciona, estudia acerca de ellos, escribe un ensayo sobre los insectos y los dibuja. En red Un estudiante interesado en el estudio de los pueblos originarios de América participa en un viaje a alguna zona del país donde vivan algunos de estos grupos, hace contacto con antropólogos, arqueólogos, escritores, etc. interesados en el tema. Fuente: Lynne E. HOUTZ y Julie A. THOMAS (1997). Traducción y adaptación de Julio Mosquera. ¿Cómo se concibe la integración en algunos documentos oficiales? En el Anexo A puede leer la propuesta de integración del Ministerio de Poder popular para la Educación para los liceos bolivarianos. Basándose en ese documento, el Centro Nacional para el Mejoramiento de la Ciencia (CENAMEC) apunta que: Con la integración de las áreas se busca una perspectiva que agrupe los distintos enfoques del conocimiento científico y del conocimiento cotidiano, en su afán por comprender la realidad. Superar la fragmentación curricular, supone adoptar una perspectiva de integración, asumiendo que la ciencia es un medio para comprender los problemas de la sociedad, y nunca un fin en sí mismo. Las áreas permiten la integración de disciplinas y de conocimientos, organizados de acuerdo con unos principios de interdisciplinariedad, transversalidad e interculturalidad, posibilitando que el estudiante se prepare para los niveles superiores del proceso educativo, y para la vinculación con la sociedad y el trabajo. (CENAMEC, s.f.) Actividad 1.2 a) ¿Cuáles de los modelos de integración se usan actualmente en Venezuela? De ejemplos. b) ¿Cuántos niveles de integración describe Forgarty? Escriba una lista de los modelos o niveles de integración sin ver el texto. c) Haga una tabla como la tabla 1, copie los términos de la primera columna de la izquierda y complete cada una de las casillas correspondientes a cada modelo con sus propias palabras. Otro aspecto del currículo integrado tiene que ver con la organización del trabajo del docente. Aquí también podemos identificar unos modelos o niveles que van desde la situación en la que dos docentes enseñan el mismo tópico en clases separadas hasta el diseño en equipo de unidades temáticas en el contexto de un currículo totalmente integrado. La organización del trabajo del docente, su condición laboral, no debe ser ignorado a la hora de diseñar un currículo integrado. Universidad Nacional Abierta 14 Algunos autores usan las expresiones currículo integrado y currículo interdisciplinario como sinónimos (Lake, 2000). Dada la importancia y el énfasis que se pone en la interdisplinariedad en los documentos educativos oficiales recientes, le dedicamos una sección aparte a este tema. Multi, intra, inter y transdisciplinariedad La discusión en torno a la interdisciplinariedad, y los otros términos arriba mencionados no es nada nuevo. A finales del Siglo XVII, de Fontenelle, entonces Secretario de la Academie des Sciences de Paris, hizo un llamado de atención acerca de la necesidad de considerar la multidisciplinariedad. En 1967, el filosofo francés Louis Althusser advertía sobre el carácter ideológico de la propuesta de la interdisciplinariedad. También surgió la discusión en torno a esta idea, a comienzos de los años de 1900 en los Estados Unidos en el contexto de la propuesta de enseñanza mediante el método de proyecto. Por otro lado tenemos que la discusión sobre la interdisciplinariedad, así como de la multi, intra o trans en educación está llena de argumentos sustentados en la mera opinión y las preferencias políticas más que en argumentados académicos. Podríamos decir que en algunos casos rayan en la propaganda. Para algunos autores la interdisciplinariedad es la panacea, la solución a todos los problemas educativos. Multidisciplinariedad. La organización actual de la escuela se basa en la existencia de materias o asignaturas separadas que se corresponden en su mayoría con diversas disciplinas académicas, por ejemplo: Matemática, Física, Historia del Arte, Castellano y Literatura las cuales se corresponden con disciplinas o campos académicos. En términos curriculares es precisamente a esa organización que se refiere el término multidisiciplinariedad. Este enfoque es criticado duramente por algunos educadores. Por ejemplo, Bernard (1976) sostiene que éste lleva a que las matemáticas se reduzcan a una especie de ghetto, el estudio de cada disciplina en si misma como científica y rigurosa. Señala además que la multidisiciplinariedad es reforzada por las condiciones objetivas de la división social del trabajo de las cuales la escuela sería reflejo e instrumento, lo cual lleva a justificar la explotación de la fuerza de trabajo. El Ministerio de Educación y Deporte (2004) elabora su crítica a la multidisciplinariedad de la manera siguiente: La escuela ha propiciado un tipo de saber enciclopédico, disciplinar y memorístico, alejado tanto de la mentalidad de adolescentes y jóvenes como de los problemas de la realidad. Este conocimiento científico, basado en una perspectiva racionalista, se articula a través de dos características básicas: la especialización y la abstracción. Este conocimiento especializado es disciplinar, al delimitar una parcela de la realidad y abstracto, al eliminar las relaciones que establecía con otros aspectos de la misma. De la Rua (2002) resume las críticas a la multidisciplinariedad en la enseñanza en los siguientes puntos: El fin originario (comprensión del mundo, capacitación para la vida) queda desdibujado. Inflexibilidad en la organización del tiempo, el espacio y los recursos humanos. Favorecen la inhibición de la función pedagógica de los profesores a causa de la desmembración en asignaturas. Limitan la autonomía y el poder de decisión de los profesores con respecto al currículo. Matemáticas y Ciencias 15 Generan jerarquización, desarticulación y rivalidad entre disciplinas y asignaturas. A los alumnos no les es fácil captar las conexiones entre las distintas disciplinas. El mismo de la Rua reconoce el sesgo en estas críticas. Los proponentes de otros enfoques tratan de simplificar el enfoque multidisciplinar y culparlo de todos los males de la educación. Aunque seguramente que los críticos de este enfoque fueron educados en escuelas donde se enseñaban las disciplinas por separado y adquirieron en ellas la sólida formación que ostentan. La multidisciplinariedad es atacada duramente por los defensores de los otros enfoques que veremos a continuación. Intradisciplinariedad. Se trata de correlaciones al interior de una misma disciplina. Se ocupa de la correlación entre los diferentes sectores o ramas de las matemáticas, por ejemplo: entre álgebra y geometría, aritmética y álgebra, etc. Interdisciplinariedad. Rene (1976) distingue dos niveles de interdisciplinariedad: (a) centrípeta y (b) centrífuga. En la primera se trata de ir de las otras disciplinas a las matemáticas. Ilustramos ésta con un ejemplo tomado de Rene (1976). A partir de la estadística descriptiva y de los sondeos como centro de interés, hacer intervenir una serie de disciplinas. En Historia nos propondríamos estudiar la historia de los sondeos y sus técnicas, su evolución, sus intereses; la clase de Educación Física nos proveería de datos cuantitativos (como por ejemplo: desempeño de los estudiantes en una carrera de 100 m planos); en Lengua y Literatura se discutiría sobre la elaboración de informes, la redacción de textos escritos, etc.; en Psicología se pueden aplicar ciertos tipos de encuestas y estudiar su interpretación; etc. En esta perspectiva se incluyen todas las reflexiones acerca del papel de la estadística en particulary de las matemáticas en general y su función en la sociedad. Se incluyen consideraciones acerca de los problemas sociales, políticos, económicos e ideológicos relacionados con el uso de las matemáticas. Según Rene (1976), en este primer enfoque se produce un desmontaje prometedor de las disciplinas, que induce un trastrocamiento de los métodos, los contenidos y los programas. Lo anterior obliga a repensar la escuela. En la segunda, se trata de ir de las matemáticas a las otras disciplinas. En el caso anterior el intercambio es incompleto porque todo gira en torno a las matemáticas (Rene, 1976). Se trata en este caso de una interdisciplinariedad más elaborada. Desde esta perspectiva se trata de la adopción de una visión de las matemáticas como resolución de problemas. La situación problemática es una situación de implicación total y se prolonga en una multitud de direcciones y abre otras posibilidades de la personalidad del estudiante (Rene, 1976). La resolución de problemas involucra varios modos de expresión: matemático, música, artes plásticas y gráficas, escritura, poesía y otras. La heurística deviene en la piedra angular de todas las actividades en la escuela (Rene, 1976). Para otros autores, el término interdisciplinariedad no hace referencia a la conjunción de varias disciplinas sino más bien a la interconexión de varios tipos de metodologías, por ejemplo investigación básica, aplicada y de desarrollo (Breznik y Močnik, 2005). Desde esta perspectiva la interdisciplinariedad se refiere tipo de investigación. Transdisciplinariedad. En las categorías anteriores se habló del movimiento didáctico de las matemáticas a otras disciplinas y de estas a las matemáticas. Para Rene (1976) el problema planteado de esta manera resulta artificial. Desde estas perspectivas el punto de partida es ofrecido por una de las disciplinas y tiene que ser reducido o simplificado para que pueda ser tratado entre los límites Universidad Nacional Abierta 16 de la escuela. Este proceso se puede representar de esta manera: una actividad problemática, en el sentido de las matemáticas, motiva y exige el concurso de otras disciplinas o bien suscita su aparición y se prolonga en ellas (Rene, 1976, p. 39). En este movimiento de ir y venir aparecen según el caso y la necesidad una multiplicidad de modos de expresión, de sectores del saber y de la actividad. De la idea de que en toda actividad en la que nos vemos involucrados puede devenir en un lugar de intercambios y de interés, rico en todas las prolongaciones y de todos los tipos de actividad; ocasión de investigación y de creación; centro de motivaciones y de enriquecimientos multidimensionales (Rene, 1976). En un juego de alternancia de la práctica y de la teoría, de la investigación, de la expresión y se organiza una circulación entre todos los tipos y niveles de la actividad (Rene, 1976). Esto es exactamente lo que Rene (1976) entiende por transdisciplinariedad, la cual, en sentido estricto, supone que uno se coloca más allá y por encima de la (multi) disciplinariedad (Rene, 1976, p. 39). Ya no son más las matemáticas ni ninguna otra disciplina el centro de atención, ni el punto de partida ni el punto de llegada sino que nos asiste en una “excentración transdisciplinaria” hacia una situación, fenómeno, u objeto del mundo en las múltiple facetas son correlativos de un poli-centrismo de las disciplinas al servicio del conocimiento, de la acción y de la expresión (Rene, 1976). Tiene esta propuesta muchos elementos comunes con la Escuela Nueva que surgió en los Estados Unidos a partir de los trabajos de John Dewey, también conocida como enseñanza por proyectos. Otros autores también han tratado el asunto de las relaciones entre las disciplinas a diversos niveles y de las posibles formas de integración. En la tabla siguiente mostramos varios ejemplos de ello. Tabla 3. Diferentes clasificaciones de interdisciplinariedad Autor Clasificación Jean Piaget (1979) Multidisciplinariedad: La interacción no modifica ni enriquece las disciplinas. Interdisciplinariedad: Se producen intercambios recíprocos y enriquecimientos mutuos. Transdisciplinariedad: Sistema total que desdibuja las fronteras disciplinares Miguel Boisot (1979) Interdisciplinariedad lineal: Se utilizan leyes o categorías de una ciencia para explicar los fenómenos de otra. Interdisciplinariedad estructural: De la interacción de dos o más disciplinas se estructura una nueva. Ejemplo Bio-medicina. Interdisciplinariedad restrictiva: De acuerdo a los objetivos específicos se acota el campo de aplicación de cada disciplina. Interdisciplinariedad heterogénea: Se produce la suma de información procedente de varias disciplinas. Matemáticas y Ciencias 17 Tabla 3. (Continuación) Autor Clasificación Cesare Scurati y Damiano E. (1977) Pseudointerdisciplinariedad: Estructura de unión que se aplica para trabajar con disciplinas muy diferentes entre sí. Interdisciplinariedad auxiliar: En una disciplina se recurre al empleo de metodologías de otra disciplina. Interdisciplinariedad compuesta: Análisis en conjunto de todos los aspectos de un fenómeno. Interdisciplinariedad complementaria: Superposición de trabajo y especialidades que coinciden en un mismo objeto de estudio. Interdisciplinariedad unificadora: Auténtica integración que tiene como resultado un nuevo marco teórico o metodológico. George Vaideanu (1983) Multidisciplinariedad: Simple yuxtaposición simultánea de disciplinas, con mínima comunicación entre ellas. Pluridisciplinariedad: Mejoramiento de las relaciones entre disciplinas pero sin modificación de las bases teóricas de cada una. Disciplinariedad cruzada: Una disciplina domina en su relación con otras y subordina a ella sus contenidos y metodologías Interdisciplinariedad: Implica la voluntad de colaborar en un marco teórico más general donde existe un equilibrio en las relaciones entre disciplinas. Transdisciplinariedad: Nivel superior de coordinación donde desaparecen los límites de las disciplinas. Bohórquez González A. (1997) Intradisciplina: Se establece entre especialidades de un área común Mono disciplina: Trabajo al interior de una sola disciplina Multidisciplinariedad: Yuxtaposición de diversas disciplinas, sin articulación pensada. Se defienden metodologías generales pero cada especialidad mantiene separada su área de estudio. Interdisciplinariedad compuesta o normativa: Diversas disciplinas que basan su relación en ciertas normas de desempeño. Interdisciplinariedad suplementaria: Dos o más disciplinas que participan en el mismo objeto y se retroalimentan pero no se fusionan. Interdisciplinariedad isomórfica: Fecundación entre las disciplinas participantes que les permite desarrollarse, en ocasiones puede llegar a dar origen a una nueva disciplina Interdisciplinariedad estructural: Cuando dos o más disciplinas isomórficas interactúan, este tipo de relación puede formar nuevas áreas, teorías o paradigmas. Transdisciplinariedad: Su objetivo general es construir una teoría general que recoja diversas disciplinas, rompiendo los límites y barreras entre ellas. Universidad Nacional Abierta 18 Tabla 3. (Continuación) Autor Clasificación Borreo A.S (1984) Multidisciplinariedad: Relación entre disciplinas, en igualdad de condiciones pero sin intenciones de cooperación explícitas. Pluridisciplinariedad: Es igual que en la multidisciplinariedad pero la relación no es igualitaria, existe una disciplina priorizada y por tanto privilegiada. Transdisciplinariedad: Es una relación en la que intervienen diversas disciplinas, rompiendo los límites y barreras entre ellas. Interdisciplinariedad compuesta: Relaciones entre disciplinas en igualdad de condiciones, pero con normas explícitas de comportamiento en relación con el objeto de estudio. Interdisciplinariedad auxiliar:Relación entre disciplinas donde una disciplina rectora es apoyada por el trabajo del resto. Interdisciplinariedad suplementaria: Relación en que la disciplina subordinada tiende a integrarse con la disciplina rectora. Interdisciplinariedad isomórfica: Relación en igualdad de condiciones entre disciplinas que generalmente genera un nuevo campo de estudio. Fuente: de la Rua (2000) Presentarle la tabla anterior no busca intimidarle. Nuestra intención más bien es llamar su atención sobre la complejidad del tema de la integración de los contenidos en el currículo. Ser consciente de esta complejidad evitaría caer en un tratamiento simplista y poco serio del asunto. Actividad 1.3 1. Compare y contraste las definiciones de interdisciplinariedad propuestas por los diversos autores incluidos en la Tabla 3. 2. Señale cuáles de las definiciones de interdisciplinariedad en la Tabla 3 son excluyentes o complementarias. 3. Compare los distintos tipos de interdisciplinariead propuestos por Cesare Scurati y Damiano E. (1977) con los niveles de interdisciplinariead identificados por Rene (1976). 4. Considere todos los tipos de interdisciplinariedad distinguidos por los autores en la Tabla 3, señale cuáles son complementarios, cuáles son equivalentes y cuáles son excluyentes. ¿Considera usted necesario distinguir entre tantos tipos de interdisciplinariead? Una vez discutidos asuntos relacionados con diversos enfoques sobre la integración del currículo y con las ideas de multi, intra, inter. Y transdisciplinariedad, pasaremos ahora a considerar con ejemplos concretos el tema de la integración en el Área de Ciencias y Matemáticas. Integración en el Área de Ciencias y Matemática Uno de los retos que enfrenta el profesor de Ciencias naturales y Matemática en el Liceo Bolivariano es precisamente la integración de las diferentes disciplinas en el contexto de un proyecto o de cualquier otra actividad en la escuela. En esta sección ofrecemos una manera de acercarnos a este problema. Una primera tarea es identificar los componentes de las ciencias naturales. Según Aldridge (1993), los componentes de las ciencias naturales incluyen los procesos usados y los resultados obtenidos como productos de esos procesos. Matemáticas y Ciencias 19 En la tabla siguiente se presenta una lista de esos procesos y productos que son comunes a todas las ciencias naturales. Procesos Productos Observar Clasificar Medir Interpretar datos Inferir Comunicar Elaborar hipótesis Desarrollar modelos y teorías Términos Resultados Conceptos Principios Leyes empíricas Teorías Aplicaciones Esta lista no agota todos los procesos y productos. Por ejemplo a estos últimos podemos agregar los instrumentos y las herramientas de la ciencia. Una segunda tarea, tomando en consideración la propuesta de Área de Ciencias Naturales y Matemática para el Liceo Bolivariano, es la de distinguir aquellos procesos y productos que son comunes a todas las ciencias naturales. La identificación de estos procesos y productos comunes serviría de ayuda para la organización de la actividad pedagógica en la escuela. Como señala Aldridge (1993), los productos de las ciencias naturales con frecuencia son identificados con un campo o disciplina en particular. Entonces, para que un producto dado sea considerado como un componente básico de todas las ciencias naturales es necesario que transcienda una asignatura o disciplina particular. Nos interesa identificar aquellos componentes fundamentales en las áreas de física, química, biología y ciencias de la tierra, siguiendo la propuesta de Aldridge (1993), incluimos además las ciencias del espacio. Términos básicos comunes a todas las ciencias naturales. ¿Qué son los términos? Términos son los nombres de las entidades, objetos, eventos específicos, períodos específicos de tiempo, categorías de clasificación, organismos o partes de un organismo (Aldridge, 1993). Dado su carácter específico, los términos son prácticamente únicos para cada ciencia y hay muy pocos que son comunes a todas las ciencias. Los términos son usados básicamente como herramientas de comunicación y los aprendemos en la medida que los necesitamos para estudiar ciencias o comunicarnos (Aldridge, 1993, p. 25). Resultados básicos comunes a todas las ciencias naturales. Los resultados básicos comunes a todas las ciencias naturales son usualmente definiciones operacionales, medidas u observaciones las cuales pueden ser replicadas (Aldridge, 1993, p. 25). No se busca que estos resultados sean memorizados intencionalmente. Se espera que a través del uso inteligente de estos resultados los estudiantes lleguen a recordar muchos de ellos cuando los necesiten. Nos interesa que los profesores comprendan los conceptos subyacentes a cada resultado y que sepan donde buscar esos resultados. Conceptos básicos comunes a todas las ciencias naturales. ¿Qué es un concepto básico en ciencias naturales? Para los efectos de esta propuesta asumiremos la definición siguiente, un concepto científico es: Un fenómeno natural que ocurre regularmente, una propiedad o característica de la materia la cual es observable o detectable en muchos contextos diferentes, y la cual es representada por una palabra o palabras y frecuentemente con símbolos matemáticos. Universidad Nacional Abierta 20 La mayoría de los conceptos de la ciencia son derivados de otros (por ejemplo, la rapidez es derivada de los conceptos de distancia y tiempo). Cuando un concepto científico derivado es expresado en la forma de una ecuación, ésta es su definición matemática, no una relación natural (por ejemplo, densidad de masa). (Aldridge, 1993, p. 27) A diferencia de los términos, hay muchos conceptos básicos de las ciencias naturales que transcienden los limites de las disciplinas particulares. Muchos de estos conceptos básicos provienen de la física y de la química. Estas dos disciplinas son fundamentales para comprender las ciencias de la vida, y estas tres son a su vez fundamentales par ala comprensión de las ciencias de la Tierra y del espacio (Aldridge, 1993). Leyes empíricas básicas comunes a todas las ciencias naturales. Podemos identificar un conjunto de leyes empíricas comunes a todas las ciencias naturales. Consideraremos como leyes empíricas a: Una generalización de una relación que ha sido establecida entres dos o más conceptos por medio de la observación o la medición, pero que no se apoya en ninguna teoría o modelo para su expresión o comprensión (por ejemplo, la presión de un gas como una función del volumen, manteniendo la temperatura y el número de moles constantes). (Aldridge, 1993, p. 29) Es el fenómeno, la conducta o el proceso observado que caracteriza el aspecto empírico de la ley. Explicar la ley es precisamente el papel de las teorías. Por ejemplo, durante la interacción de dos cuerpos se tiene que el producto m.a, para uno de los cuerpos tiene la misma magnitud que el producto m.a para el otro cuerpo. Esa es precisamente una ley empírica y es la tarea de las teorías explicarla (Aldridge, 1993). Teorías y modelos comunes a todas las ciencias naturales. Las teorías son usadas para explicar hechos, fenómenos, observaciones y leyes empíricas. Las teorías por lo general incorporan varios conceptos que han sido cuantificados y que están representados simbólicamente. Estas teorías son con frecuencia matemáticas. Para una mejor comprensión de las teorías el estudiante necesita tener experiencias con los procesos por medio de los cuales teorías anteriores fueron creadas, las hipótesis derivadas de estas teorías ya probadas y la evolución de tales teorías en el tiempo. Es muy importante enfatizar que las teorías son tentativas, y que aún las más recientes, están meramente en una etapa de proceso continuo. También es importante hacer que los estudiantes comprendan que las teorías, a diferencia de los hechos,observaciones y leyes empíricas (las cuales resumen datos, medidas u observaciones), son construcciones creativas las cuales no necesariamente se corresponden unívocamente con la realidad. Diversas teorías alternativas podrían explicar el mismo conjunto de fenómenos. Decimos que las teorías son elaboraciones de los seres humanos y no son necesariamente un reflejo de la realidad (Aldridge, 1993). En el Anexo B, al final de esta lección, presentamos una lista completa de términos, leyes empíricas, teorías y modelos comunes a todas las ciencias. Estos resultados básicos los presentamos agrupados en tres grupos. Esta agrupación no se corresponde con un grupo de grados o de nivel de escolaridad determinado del sistema educativo venezolano. Esa agrupación indica el nivel de complejidad y de abstracción de dichos resultados. Matemáticas y Ciencias 21 Referencias Aldridge, B. G. (1993). Basic components of the natural sciences. En The National Science Teachers Association. The content core, Vol. 1. (pp. 25- 40). Washington : El Autor. De la Rua, C. M. (2000). Interdisciplinariedad en el currículo de las Ciencias sociales. Disponible en: http://teleformacion.cujae.edu.cu/proyecto_pedagogico/BVP/materiales/Te ma3/Art07/index.htm Forgarty, R. (1991). The Mindful School: How to Integrate the Curricula. Palatine, IL: Skylight. Fundación Centro Nacional para el Mejoramiento de la Enseñanza de la Ciencia (CENAMEC, s.f.). La ciencia en el Liceo. Disponible en: http://www.cenamec.org.ve/html/programas/p2/p203.htm. Houtz, L. E. y Thomas, J. A. (1997). Interdisciplinary math and science: A hands-on consideration of integrated reform. Disponible en: http://www.ed.psu.edu/CI/journals/96pap24.htm. Ministerio de Educación y Deporte (2004). Liceo Bolivariano. Adolescencia y juventud para el desarrollo endógeno y soberano . Caracas: El Autor. Rene, B. (1976). Vers une transdisciplinarité. Cahiers Pedagogiques, No. 147, pp. 13-16. En C. Castonguay y R. Pallascio (1978). Vers un apprentissage par projects (pp. 34-42). Quebec: Telé-Université. 22 Anexo A Liceo Bolivariano* 3.3. Integración de áreas del conocimiento La formación de un (a) nuevo (a) republicano (a) bolivariano(a) requiere la incorporación de un nuevo tipo de contenido curricular, particularmente referido al desarrollo de competencias y valores que reclaman el desempeño productivo y el desempeño ciudadano. Las nue vas competencias (capacidad de trabajar en equipo, de resolver problemas, de experimentar, de interactuar con el diferente, entre otras) y los valores propios de la formación ciudadana (solidaridad, tolerancia, respeto a los derechos humanos) no se enseñan necesariamente a través de contenidos de una disciplina sino a través de modalidades transversales que exigen también una modificación profunda en la organización curricular y en las modalidades de trabajo de los (as) profesores (as). (Tedesco y López, 2002). La dimensión cultural ha de tener un mayor significado en la formación de adolescentes y jóvenes. Esta dimensión no pasa sólo por los aspectos cognitivos, sino por una articulación entre lo cognitivo, lo emocional, lo estético y lo social, que involucra no sólo a los (as) estudiantes sino también a los (as) profesores(as). Así mismo, la transformación del concepto de democracia, de lo representativo a lo participativo y protagónico implica nuevos temas y contenidos. La escuela ha propiciado un tipo de saber enciclopédico, disciplinar y memorístico, alejado tanto de la mentalidad de adolescentes y jóvenes como de los problemas de la realidad. Este conocimiento científico, basado en una perspectiva racionalista, se articula a través de dos características básicas: la especialización y la abstracción. Este conocimiento especializado es disciplinar, al delimitar una parcela de la realidad y abstracto, al eliminar las relaciones que establecía con otros aspectos de la misma. La concepción dogmática y absolutista de la ciencia propugnó el paradigma de la simplicidad, caracterizado por la compartimentación del conocimiento científico en multitud de disciplinas y de campos del saber haciendo irreconciliable el conocimiento científico-técnico con el campo de las ciencias sociales y las humanidades. El enfoque simplificador parte de una concepción sesgada y diferenciadora que asigna estructuras conceptuales propias a cada disciplina y, por tanto, formas específicas de resolución de los problemas que le atañen. Una de las respuestas proviene del denominado paradigma de la complejidad que revisa y actualiza la visión sistémica del mundo a través de la formulación del principio de complejidad frente al de simplicidad para aportar una nueva perspectiva indagadora de la realidad: la complementariedad frente a las antinomias y dicotomías, y la apuesta por una concepción interdisciplinaria, transdisciplinaria o metadisciplinaria, en contradicción con otra disciplinar y selectiva de cada una de las ciencias. El enfoque conceptual o disciplinar, propone una definición parcelada de los conceptos básicos de cada ciencia, el enfoque interdisciplinar, por áreas, propugna la integración de disciplinas sintetizando los conceptos más característicos de las ciencias. Con la integración de áreas se busca una perspectiva integrada que aglutine los distintos enfoques del conocimiento científico y del conocimiento cotidiano en su afán por comprender la realidad. Superar la fragmentación curricular supone adoptar una perspectiva de integración, asumiendo que la ciencia es un medio para comprender los * Tomado Ministerio de Educación y Deportes (2004). Liceo Bolivariano: Adolescencia y juventud para el desarrollo endógeno y soberano. Caracas: El Autor. Disponible en: http://www.portaleducativo.edu.ve/documentos/liceo_bolivariano.pdf Matemáticas y Ciencias 23 problemas de la sociedad y nunca un fin en sí mismo y, por otra, que los objetos de estudios no tienen porqué ser los problemas científicos sino los problemas de la sociedad (Travé, G.). Las áreas permiten la integración de disciplinas y saberes, organizadas de acuerdo con unos principios de interdisciplinariedad, transversalidad e interculturalidad, posibilitando que el (la) educando (a) se prepare para los niveles superiores del proceso educativo y para su vinculación con la sociedad y el trabajo. Se hace imperativo ir de unas estructuras curriculares fragmentadas y homogéneas hacia otras más unificadas y heterogéneas. Es necesario disminuir tanto número de asignaturas como de docentes a los cuales se enfrenta semanalmente el/la adolescente y el/la joven. Pero también hay necesidad de disminuir el número de adolescentes y jóvenes que semanalmente debe atender el docente. Es decir, adolescentes y jóvenes atendidos por menos docentes, y docentes que atienden menos adolescentes y jóvenes. Esto conduciría a posibilitar una mayor relación, integración, comunicación e identidad entre el docente y los adolescentes y jóvenes, para el fortalecimiento del proceso formativo. En esta misma dirección se impone superar los horarios mosaicos o disgregados como mecanismo que ayude a minimizar la fragmentación de la administración del currículo. El currículo por disciplina privilegia el estudio de los problemas que interesan a la ciencia, en cambio, el currículo integrado por área, sin desconocer a la disciplina, privilegia el análisis de los problemas de la sociedad a partir de las diversas aportaciones del conocimiento. El currículo integrado por áreas favorece las opciones didácticas que posibilitan la aproximación del (la) adolescente y joven a un pensamiento crítico, al objeto de poder intervenir en la realidad social. En el Liceo Bolivariano las áreas del conocimiento se integran a través de un proyecto educativo-productivo de manera que las disciplinas apoyen y le den explicación desdesu especialidad a todas las acciones planteadas en los mismos. Por ejemplo, el área de sociales con sus categorías tiempo y espacio se relaciona con el área de ciencias para realizar diagnósticos y con el área de lenguaje, cultura y comunicación ayude a entender los saberes locales, sus diferentes expresiones humanas manifestadas en las tradiciones y costumbres y con la educación en y para el trabajo liberador que impulsa el aprender-haciendo, descubriendo las potencialidades de la comunidad en función del desarrollo sustentable. En este sentido, es fundamental considerar el conocimiento como una forma de organizar, relacionar y contextualizar la información, ya que esta última constituye parcelas de saberes dispersos, cuestión que ha caracterizado nuestro sistema educativo. Se hará énfasis en desarrollar en los y las adolescentes y jóvenes una aptitud para plantear y analizar problemas y principios organizadores que les permita vincular los saberes con la realidad. El currículo del Liceo Bolivariano se organiza en cinco áreas que integran las distintas asignaturas y contenidos necesarios para la formación del y la adolescente y joven que requiere nuestro país: a) Matemática y ciencias naturales. Está integrada por matemática, física, química y ciencias de la tierra, las cuales obedecen a leyes y procesos específicos que se dan independientemente del ser humano y que le permiten transformar la realidad fortaleciendo la calidad de vida. b) Ciencias sociales, ciudadanía e identidad. Integrada por geografía, historia, ciudadanía e identidad. Esta área considera el comportamiento social del ser Universidad Nacional Abierta 24 humano en el devenir histórico en tiempo y espacio determinado para entenderse como sujeto de transformación. c) Lengua, cultura, comunicación e idiomas. Integrada por castellano, literatura, inglés, idiomas propios, cultura y comunicación. Esta área concibe la lengua oral y escrita como expresión cultural que integra lo científico y lo humanístico reconociendo la diversidad multiétnica y pluricultural a diferentes escalas, haciendo énfasis en la comprensión y producción de la comunicación humana. d) Educación física, deporte, ambiente y recreación. Es un área que aparece como necesidad para fortalecer el desarrollo físico-mental del ser humano en armonía con su entorno para garantizar calidad de vida individual y colectiva y para las generaciones futuras. e) Educación en y para el trabajo liberador para el desarrollo endógeno soberano. Educación y trabajo como síntesis del proceso de formación que se expresa en lo organizativo y productivo y se concreta en la comunidad para alcanzar el modelo de desarrollo endógeno. (Ministerio de Educación y Deportes, 2004, pp. 52-56) 25 Anexo B Anteriormente señalamos que la ciencias naturales estaban constituidas por procesos y productos de la aplicación de esos procesos. Distinguimos de manera particular cinco productos de las ciencias naturales. Dado el carácter de integración que se postula para la enseñanza de las ciencias naturales y matemática en el Liceo Bolivariano, nos interesa identificar aquellos resultados que son comunes a todas las ciencias naturales. A continuación presentamos una lista de estos resultados tomada de Aldridge (1993). Esta no es una lista de conceptos, términos, leyes, teorías para que sean aprendidas de memoria por los estudiantes y los profesores. Nuestra intención es que esta lista de resultados comunes a todas las ciencias le sirva de referencia al profesor tanto para su estudio de las ciencias como para su enseñanza. Términos básicos comunes a todas las ciencias naturales Múltiplos asociados con los prefijos nano, micro, mili, kilo, mega, giga Nombres de las unidades de tiempo, masa, longitud, área y volumen Nombres de unidades derivadas SI para la fuerza, carga eléctrica, presión, campo magnético, trabajo, energía y potencia Resultados básicos comunes a todas las ciencias naturales Grupo 1 La velocidad de la luz en el vacío Valor el cero absoluto en la escala de temperatura Celsius La densidad del agua líquida Punto de ebullición del agua (2 cifras significativas) Punto de congelación del agua (2 cifras significativas) Velocidad del sonido en el aire (2 cifras significativas) Velocidad del sonido en el agua (2 cifras significativas) Definiciones de minuto, día, hora y año Nombres de ácidos y bases comunes Nombres de elementos comunes que son aislantes eléctricos Nombres de elementos comunes que conducen la electricidad Grupo 2 Longitud de onda en manómetros de colores visibles de luz (2 cifras significativas) Rango aproximado de longitud de onda en nanómetros de radiación ultravioleta e infrarrojo (2 cifras significativas) Índice de refracción para el vidrio y para el agua (2 cifras significativas) Componentes de moléculas simples, biatómica de gases comunes y componentes comunes, en términos de números de átomos y masa molecular Valor numérico de 1 mol Volumen de 1 mol de gas en STP Números atómicos y masas atómicas en gramos por mol de unos pocos elementos: oxigeno, nitrógeno, carbón e hidrógeno Dimensiones aproximadas de moléculas inorgánicas Componentes de átomos e isótopos comunes en términos de protones y neutrones en el núcleo y electrones que rodena el núcleo Valor de calorías en joules Capacidad de calor del agua Calor latente de vaporización del agua Calor latente de fusión del agua Valor de la aceleración debida a la gravedad en la Tierra (2 cifras significativas) Presión atmosférica sobre la Tierra (2 cifras significativas) Radio aproximado de la Tierra, la Luna y el Sol Grupo 3 Definición de un electrón-voltio en Joules Definición de estructuras de cristal simple, centrada en una cara y centrada en el cuerpo “Permittivity” y permeabilidad del espacio libre Vida-promedio del carbono 14 Las cargas de iones de elementos libres comunes, en unidades de carga en un electrón Valor de la constante de Planck La constante, k, en la ley de Coulomb de fuerza para cargas eléctricas Valor de la constante, G, en la ley de gravitación universal Valor de la constante de gas ideal, R Radio aproximado de un átomo y de un núcleo atómico Constante de Bolzano Masa de, y carga sobre, el electrón, protón y neutrón Valor de equivalencia masa- energía Universidad Nacional Abierta 26 Conceptos básicos comunes a todas las ciencias naturales Grupo 1 Escalar (un número y una unidad) Precisión (y cifras significativas) Exactitud (y calibración contra un estándar) Exponente Potencias de diez y orden de magnitud Continuidad y discontinuidad Longitud, área, volumen, masa, carga eléctrica y tiempo Área de superficie Densidad de masa Tasa de cambio del tiempo con distancia (rapidez) Tasa de cambio del tiempo con rapidez (aceleración) Tasa de cambio del tiempo en general Velocidad (rapidez y dirección) Fuerza Presión Ebullición Trabajo Energía Potencia Energía cinética (translacional y rotacional) Energía potencia (gravitacional, eléctrica y nuclear) Pulso Onda (mocromática) Longitud de onda Amplitud Superposición de ondas Difracción Interferencia Espectro Reflexión Refracción Dispersión Período Movimiento periódico Movimiento armónico simple Equilibrio térmico Temperatura Calor Energía térmica Punto de congelación Punto de ebullición Conductividad Concentración Mezcla Homogéneo Elemento Compuesto Solvente y soluto Ácido Base Cristal Gas Grupo 2 Vector (un número, una unidad u una dirección) Potencia Átomo Volumen molar Molécula Número atómico Mol Masa atómica Nucleo Cpacidad calórica Isotermal Catálisis Coloide Corriente (masa, cambio o volumen por unidad de tiempo) Tasa de cambio de distancia (contornos y gradientes) Evolución Centrípeta Gravedad Invarianza Longitud de onda Momento (lineal y angular) Osmosis pH RadioactividadResonancia Campo eléctrico Onda transversal Onda electromagnética Intensidad Grupo 3 Desplazamiento (distancia y dirección) Intensidad Vector aceleración Velocidad de onda Polarización de ondas Coherencia (temporal y espacial) Ion Densidad de carga Torque Dipolo eléctrico Adiabático Energia interna Entalpía Entropía Concepto general de densidad como función de distribución Calor latente de fusión Calor latente de vaporización Energía potencial química (como caso especial de la eléctrica) Energía potencial elástica (como caso especial de la eléctrica) Fisión Fusión Vida-media Isótopo Fotón Plasma Simultaneidad Relatividad Leyes empíricas básicas comunes a todas las ciencias naturales Grupo 1 Ley de Pascal Ley de Boyle Ley de Charle Ley de Guy-Lussac Ley de la reflexión especular Ley de la conservación de la energía Evolución (patrones observados de cambio en el tiempo) Matemáticas y Ciencias 27 Grupo 2 Ley de los factores limitantes Fotosíntesis (como un proceso) Ley de Graham Leyes de proporciones definidas y múltiples Tres leyes del movimiento de Newton Variación observada de la resistencia con cambios lineales de dimensión Ley del cuadrado inverso Ley de Ampere Ley de Coulomb Ley de Faraday Ley de Gauss Ley de la refracción de Snell El efecto Doppler Variación observada de la masa con cambios lineales de dimensión Variación observada de la superficie con cambios lineales de dimensión Grupo 3 El principio de Le Chatelier La ley de Hess Ley de Dalton de la presión parcial Ley de la gravitación universal Ley de conservación del momento Variación observada del calor a través de una superficie con cambio lineal de dimensión Ley del desplazamiento de Wien Cuarta ley del poder de la radiación Efecto fotoeléctrico Teorías y modelos comunes a todas las ciencias naturales Grupo 1 Teoría de onda de la luz (cuando la luz se comporta como onda) Grupo 2 Teoría de los lazos químicos (desde las primeras teorías de los átomos y moléculas como resultado de las leyes de proporciones definidas y múltiples hasta teorías asociadas con varios tipos de enlaces químicos) Teoría de las leyes de escala (área de superficie, volumen y masa) Teoría atómica (de la secuencia modelos de Thomson, Rutherford y Bohr) Grupo 3 Teoría electromagnética (como síntesis de las leyes empíricas de Ampere, Faraday y Gauss, con nueva predicción sobre la velocidad de ondas, con conexión con la luz y confirmada por Hertz) Teoría de las leyes de escala periodicidad, transferencia de calor a través de superficies y resistencia) Teoría cinético-molecular (como explicación para las relaciones de temperatura y energía cinética de las moléculas) Teoría de partícula (fotón) de la luz (cuando la luz se comporta como partícula) Teoría cuántica (atómica y nuclear, incluyendo orbitales, números cuánticos) La Tabla Periódica moderna (desde la teoría, incluyendo el principio de exclusión de Pauli) La teoría moderna de los sólidos (incluyendo elementos del estado físico sólido que se aplica a cristales, metales y semiconductores) Cosmología y teorías de la evolución (explicaciones de cambio evolucionario general) 28 Unidad 2 Aplicaciones de las matemáticas en la escuela Objetivo: Discutir diversas tendencias o maneras de usar las aplicaciones de las matemáticas en la enseñanza. Matemáticas y Ciencias 29 Lección 2 La preocupación por introducir en la enseñanza de las matemáticas aplicaciones de estas en la resolución de problemas reales no es tan nueva como puede parecer. Por ejemplo, en los Programas Provisionales de Educación Secundaria de 1955, se resalta el “valor instrumental de las Matemáticas” y se señala que: (…) las Matemáticas tienen un extraordinario valor como instrumento de investigación en casi todas las ciencias aplicadas. Los nuevos programas destacan este otro aspecto, señalando en diversas partes aplicaciones a la Física, a la Química, etc. (p. 17) Introducir aplicaciones de las matemáticas a situaciones reales, o pseudo-reales, es más fácil decirlo que hacerlo. Reconociendo esta situación nos proponemos en esta lección ofrecerle diversos enfoques en el uso de las aplicaciones de las matemáticas en su enseñanza. No pretendemos ser exhaustivos. Esperamos cubrir al menos las propuestas más comunes o relevantes. La manera más sencilla de introducir de alguna manera aplicaciones de las matemáticas en su enseñanza es mediante la proposición de problemas en contexto real, semi-real o ficticio. Esta tendencia predomina en los libros escolares de Matemática en nuestro país. Por ejemplo, en un libro de Octavo Grado se propone el problema siguiente: Un envase tiene forma cúbica y contiene un volumen igual a 125 cm3. Con la finalidad de diminuir costos, la empresa desea reducir el taño del envase restando n unidades (con n < 5) a la arista del cubo original. ¡Qué fórmula permite conocer el volumen del nuevo envase? (Suárez Bracho y Durán Cepeda, 2002, p. 163) Más adelante, en una unidad dedicada a la probabilidad y la estadística proponen este problema: Midiendo el tamaño de un grupo de insectos, un entomólogo obtuvo los siguientes datos: Longitud (mm) Número de insectos 0 – 2 8 2 – 4 12 4 – 6 21 6 – 8 24 8 - 10 22 Determina la clase modal y los valores aproximados de la mediana y la media aritmética. (Suárez Bracho y Durán Cepeda, 2002, p. 207) En otros libros las aplicaciones son introducidas de manera más limitada, sólo en aquellos temas en que es prácticamente imposible evitarlas. Tal es el caso de los temas de estadística. Un ejemplo de este tipo de tratamiento de las aplicaciones es el libro de Brett C. (2006) para el Segundo Año de EMDP. Los únicos problemas planteados en el contexto de situaciones reales aparecen al final del libro en los tres últimos capítulos dedicados a la teoría combinatoria, las Universidad Nacional Abierta 30 probabilidades y la estadística. Como ya dijimos, es prácticamente imposible enseñar estos temas sin recurrir a las aplicaciones. Veamos uno de los problemas propuesto por Brett C. (2003), Para determinar la cantidad de calcio en un grupo de ciudadanos, se ha tomado la muestra de sangre a 25 de ellos, habiéndose obtenido los siguientes resultados: 9,7; 9,3; 10,1; 9,2; 9,1; 9,3; 9,4; 8,7; 8,8; 8,7; 9,2; 8,3; 10,1; 9,5; 9,6; 9,7; 9,2; 9,3; 8,8; 9,5; 9,8; 9,1; 9,2; 9,6; 8,4. Calcular el rango, la varianza y la desviación típica. (p. 340) Actividad 2.1. 1. Resuelva los tres problemas presentados en los párrafos anteriores. 2. ¿Considera usted que estos problemas son reales o ficticios? Explique. 3. ¿Encuentra usted que estos problemas sean interesantes o retadores? Explique Al tipo de enfoque presentado hasta ahora lo consideraremos como el primer nivel en el uso de aplicaciones en la enseñanza de las matemáticas. Este enfoque es sumamente limitado y en general se recurre a problemas poco retadores y ficticios. Dentro de este enfoque el contenido matemático es introducido primero de manera “abstracta”, en especial las técnicas de cálculo y de manipulación algebraica, y los problemas de aplicaciones son presentados al final de cada tema. Un segundo enfoque es el uso de las aplicaciones como motivación para introducir un tema. Este enfoque es muy popular entre autores de libros escolares de matemáticas. Por ejemplo, todas las unidades en el libro de Suárez Bracho y Durán Cepeda (2002) comienzan con una fotografía, una breve descripción de una situación problemática y un conjunto de preguntas o problemas relacionados con esa situación. La información ofrecida en esa primera página de cada unidad es muy breve y busca motivar a los estudiantes. Una vez hecha esa introducción, lo autores pasan a presentar el contenido de la unidad sin mayoresreferencias a las aplicaciones. Veamos a continuación un ejemplo tomado de dicho libro. La Unidad 15, titulada “División de polinomios y fracciones racionales”, tiene en la página inicial una foto de una sabana, con una laguna en el centro. En la columna de la derecha aparece un escrito titulado “El planeta en que vivimos” con el texto siguiente: La Tierra, nuestro planeta, está envuelta por una capa de gases que forman el aire. El más importante de estos gases para la vida es el oxígeno (21%), pero el más abundante es el nitrógeno (78%). Si imaginamos la superficie terrestre dividida en 25 partes iguales, 18 de esas partes están ocupadas por los mares y los océanos y las otras 7 partes serían de tierra firme. De las 7 partes de tierra firme 3 son útiles para el ganado o para el cultivo y 4 no son útiles ni para el ganado ni para el cultivo. (Suárez Bracho y Durán Cepeda, 2002, p. 181) En la parte inferior de esta misma página, bajo el título “Calcula y responde”, se proponen unas preguntas y problemas. Estos son los siguientes: Matemáticas y Ciencias 31 ¿Qué fracción de la superficie terrestre está ocupada por los océanos y los mares? ¿Y por la tierra firme? Suma la parte de la superficie terrestre que es útil y la que no es útil. ¿Qué representa la fracción que has obtenido? La superficie total de la Tierra es de 510 100 000 km2. ¿Qué superficie ocupan los océanos y mares aproximadamente? ¿Cuántos kilómetros cuadrados ocupa la parte que no es útil ni para el ganado ni para el cultivo? ¿Y la parte que es útil para el ganado o el cultivo? (Suárez Bracho y Durán Cepeda, 2002, p. 181) Con estas termina la página de presentación. Como dijimos anteriormente, de allí se pasa a la presentación del contenido d ela unidad donde se hace poca o ninguna referencia a las aplicaciones. Actividad 2.2 1. Verifique los datos dados por Suárez Bracho y Durán Cepeda (2002) en la introducción al tema. Son estos ciertos o ficticios. 2. ¿Qué relación tiene esta situación problemática con el tema matemático tratado en la unidad? 3. ¿Cree usted que esta situación “real” es adecuada para la introducción del tema de División de polinomios y fracciones racionales? Explique. 4. En caso de que su respuesta a la pregunta anterior sea negativa escoja usted una situación problemática adecuada par ala introducción de este tema. En este segundo enfoque se hace un uso muy limitado de las aplicaciones, sólo juegan un papel de motivación y no forman parte integral de la enseñanza del tema. Los estudiantes podrían formarse la idea que las aplicaciones son una cuestión accesoria y no forman una parte importante de las matemáticas. Con todas sus limitaciones, este enfoque lo consideramos como un segundo paso en la introducción de las aplicaciones en la clase de matemáticas. Un tercer enfoque es el de presentar un aplicación desde el comienzo como punto de partida para estudiar un tópico de matemáticas en particular. Este enfoque es característico, aunque no exclusivo, de la llamada matemática “realista” desarrollada por la escuela holandesa de didáctica de las matemáticas, en particular bajo la influencia de Hans Freudenthal. Uno de los primero libros escolares, para la educación secundaria, en adoptar este enfoque fue el de los italianos Castelnovo, Gori Giorgi y Valenti (1986). Incluso estos libros tiene el subtítulo: “La matemática en la realidad”. Todas las partes principales de este libro comienzan con una introducción extensa, de entre tres y cinco páginas, a cada tema combinando historia y aplicaciones. La presentación del contenido casi siempre comienza con aplicaciones reales, las cuales forman una parte integral de la enseñanza de dicho tema. Describiremos a continuación la parte dedicada al tema de la función exponencial y logarítmica. En la introducción al tema, Castelnuovo y otros (1986) comienzan resaltando el significado del adjetivo “exponencial”, lo cual significa que la ley depende del “exponente”. Luego entran a narrar el desarrollo histórico de ambas funciones, o leyes, en especial su relación con las progresiones. Es oportuno señalar que estos autores rechazan, en la práctica, el enfoque eurocéntrico en la historia de las matemáticas. En su relato incluyen a los griegos, chinos, árabes, etc. sin exagerar las contribuciones de una nacionalidad o grupo étnico en particular. Retomemos nuestro tema principal. Luego, comienzan la enseñanza del contenido con una sección titulada “La ley exponencial en la naturaleza”. En esta Universidad Nacional Abierta 32 sección se introducen fenómenos naturales diversos (la reproducción por división, la fisión y el decaimiento radioactivo) donde aparece dicha ley. La segunda sección se titula “El logaritmo en la naturaleza”. En ambas secciones se inicia la enseñanza del tema correspondiente en el contexto de unas aplicaciones de éste a problemas reales. También introducen en esta parte el uso de calculadoras. Un problema que tratan Castelnuovo y otros (1986) es el del decaimiento del carbono 14 (C14) y su uso para determinar la edad de un fósil. Veamos una parte del texto de estos autores. Todo organismo viviente contiene una cantidad de C14, la cual permanece constante mientras que el organismo vive, porque el carbono presente en el cuerpo se renueva constantemente. A penas el organismo muere, se detiene el recambio y se inicia el decaimiento del C14, que disminuye cada 6 000 años. Si un organismo contiene mientras está vivo 1mg de C14, después del momento de la muerte la masa M de C14 comienza a disminuir con el paso del tiempo según la ley M = (1/2) t Esta ley nos permite resolver el problema de la previsión y de la determinación de la edad. A) Problema de la previsión Si un organismo muere hoy y queremos saber cuánto C14 contendrá dentro de 18 000 años. Nótese que dado el tiempo t (18 000 años, es 3 veces el tiempo de decaimiento) se puede determinar la masa M, la cual está dada por M = (1/2) 3 = 0,125 mg B) Problema de determinación de la edad Si se tiene un organismo, el cual contiene cuando está vivo contiene 1mg de C14; en cuyo fósil se encuentra una masa de igual a M = 0,0625 mg Se desea saber cuándo murió el organismo. Conocemos el valor de masa M y se desea determinar el tiempo t transcurrido. Para resolver este problema se deberá expresar la masa M en la forma de una potencia de base ½, o sea se deberá determinar el exponente t de modo que resulte (1/2) t = 0,0625 En este caso particular resulta fácil hallar el resultado, dado que resulta (1/2) 4 = 0,0625 Se tiene que t = 4, entonces han transcurrido 4 tiempos de decaimiento, este es 24 000 años. Hemos así determinado la edad del fósil. La ley establecida M = (1/2) t Puede ser considerada desde dos puntos de vista. A) Previsión: dado el tiempo t se desea hallar la masa M. Matemáticas y Ciencias 33 B) Determinación de la edad: dada la masa M se desea hallar el tiempo transcurrido t. Es muy fácil distinguir los dos casos, siguiendo una convención de uso: se indica con x la variable que se conoce y con y la variable que se desea hallar, de este modo la ley M = (1/2) t Se escribirá y = (1/2) x , cuando t = x es dado y se desea hallar M = y. x = (1/2) y , cuando M = x es dado y se busca t = y. Se nota ahora una diferencia entre las dos formulas escritas de esta forma: en la primera es fácil calcular y, cuando e dada a x; en la segunda, por el contrario, no conocemos un método para calcular el valor de y a partir de la x. Se puede describir este segundo problema, decimos que se debe expresar la masa x en la forma de una potencia de con base ½, este es, se debe determinar el exponente y que asignado a la base ½ en modo de la potencia (1/2) Y de cómo resultado x. Esta larga oración escrita arriba se sintetiza en el término logaritmo. Esta “extraña” palabra, introducidaa finales de 1500 por el matemático ingles John Napier (conocido con el nombre latinizado de Nepero o Neper), viene del griego logos-arytmòs y significa “número de proporción”, como ya dijimos en la introducción histórica (pag. 205). Así, en lugar de decir “y es el exponente que asignado a la base ½ en modo de potencia da como resultado x”, se dice “y es el logaritmo de base ½ del número x”. Y, en lugar de escribir x = (1/2) y Se escribe Y = log 1/2 x, Lo cual se lee, “y es igual el logaritmo de base ½ de x” (…) [continúa la exposición] (traducción libre de Julio Mosquera) (Castelnuovo y otros, 1986, pp. 213-215) Para más información sobre el carbono 14 y su uso para estimar la edad de la Tierra puedes visitar la página web educativa venezolana: http://www.rena.edu.ve/cuartaEtapa/cienciasTierra/Tema19.html. Allí encontrarás un artículo muy interesante sobre le tiempo geológico. En el sitio web Red Escolar Nacional encontrará mucha más información que le puede servir de fuente de situaciones problemáticas reales. Resaltamos que en el caso anterior se tiene que la aplicación es presentada como parte integral de la enseñanza del tema de la función exponencial. Este tercer enfoque se diferencia pues de los dos primeros en los cuales las aplicaciones Universidad Nacional Abierta 34 aparecen generalmente al final, en forma de ejercicios, y de manera limitada, y como motivación para introducir el tema respectivamente. Actividad 2.3 1. Escoja un libro escolar cualquiera de Matemática para la educación secundaria (Tercera Etapa de Ecuación Básica y Ecuación Media Diversificad y Profesional). Revise dicho libro e identifique cuál de los enfoques anteriores se adopta en ese libro. 2. Elija un tema cualquiera de Matemática de Primer Año de Educación Media Diversificada y Profesional y haga una lista de posibles campos, o situaciones problemáticas, en los que se aplique ese tema. ¿Cuál de esos temas escogería para introducir el tema escogido? Explique. Otros autores propone el enfoque de la investigación en la enseñanza de las matemática, por ejemplo Skovsmose (2001). Este enfoque es similar al tercero de los antes expuestos. En el curso de Didáctica de la Geometría, específicamente en las unidades 3 y 4, usted tuvo la oportunidad de estudiar algunas aplicaciones del álgebra y de la trigonometría respectivamente. Allí introdujimos las ideas de Skovsmose (2001) sobre el enfoque de la “investigación” en la enseñanza de las matemáticas. Le invitamos a que lea otra vez esas unidades para refrescar las ideas presentadas en ellas. En esta lección estudiamos tres enfoques o maneras de introducir las aplicaciones en la enseñanza de las matemáticas. El primer enfoque se caracteriza por la proposición de problemas de aplicación, la mayoría de las veces limitados y de contextos ficticios, después de terminada la presentación del contenido. En el segundo enfoque las aplicaciones son introducidas al principio de cada tema con fines de motivar a los estudiantes, pero estas no forman una parte integral de la enseñanza del contenido. Por último, en el tercer enfoque, las aplicaciones juegan un papel integral en la enseñanza del contenido, son más que algo accesorio o con fines de motivación. Este último enfoque resulta ser muy exigente para el profesor, sin embargo, al final de este curso esperamos que usted esté mejor preparado o preparada para asumirlo y maneje información sobre fuentes documentales que le pueden ser de ayuda para su adopción y puesta en practica en el aula. Referencias Brett C., E. (2006). Actividades de Matemática II Cs. C.D. Caracas: El Autor. Castelnuovo, E., Gori Giorgi, C. y Valenti, D. (1986). La scienza. La matematica nella realidad 3. Scandicci, Italia: La Nuova Italia. Suárez Bracho, E. y Durán Cepeda, D. (2002). Matemática 8. Caracas: Santillana. 35 Unidad 3 Ciclo de aplicación de las matemáticas Objetivo: Explicar el ciclo de la aplicación de las matemáticas. 36 Lección 3 Esta Unidad está dividida en dos lecciones. En esta primera lección estudiaremos algunos ejemplos de cómo se modela matemáticamente una situación determinada. Los ejemplos en cuestión fueron escogidos por su sencillez y sólo pretendemos que le sirvan para comprender el proceso de modelaje. En la siguiente lección entraremos a considerar diversas maneras de caracterizar el ciclo de la aplicación de las matemáticas o ciclo de modelaje. Como señalamos arriba, recurrimos a dos ejemplos sencillos para ilustrar el proceso de modelaje matemático. El primer ejemplo lo tomamos de la agricultura. Supongamos que estamos interesados en sembrar tomates en un huerto familiar. Contamos para tal fin con un terreno plano de la forma y dimensiones como se indica en la Figura 3.1. Figura 3.1 En primera instancia, tenemos que el dibujo en la Figura 3.1 es un modelo de la realidad, porque no tenemos el terreno frente a nosotros sino una representación geométrica (matemática) del mismo. Nuestra situación de partida ya es una representación matemática de la realidad, un modelo de nuestro terreno. A partir de esta situación plantearemos una solución al problema propuesto. Producto de la experiencia y la investigación sobre la siembra de tomates se ha logrado establecer un conjunto de datos que nos permiten sembrar dichas plantas de manera que mejore su producción. En la Tabla 3.1 se muestran esos datos. Esta información es válida sólo para el caso específico de los tomates. Hasta ahora tenemos dos tipos de información: a) las magnitudes y la forma del terreno y b) un conjunto de datos sobre la siembra de plantas de tomate. La información del primer tipo podríamos llamarla parámetros, porque estos se mantienen fijos para el caso particular del terreno considerado. Mientras que la información del segundo tipo son constantes, porque estas se mantienen fijas para el caso de las plantas de tomate independientemente de las magnitudes y forma del terreno donde se sembren. 5 m 4 m 6 m 5,5 m Matemáticas y Ciencias 37 Como veremos en lecciones siguientes, la identificación de las constantes y los parámetros en una situación determinada es muy importante para la construcción de un modelo matemático. Distancia entre plantas: 50 cm. Distancia entre líneas: 100 cm. Profundidad de Siembra: 1,5 cm Número de semillas por gramo: 400 Metros de surco sugeridos para una familia de 4 o 5 personas: 15 m Tiempo para cosechar: 80 a 100 días Fuente: Adaptado de Huerta y jardinero. Semillas y siembra (2006) Tabla 3.1 Considerando toda la información dada anteriormente, realice la Actividad 3.1. Actividad 3.1 1. ¿Es posible sembrar en el terreno dado el número de plantas de tomate suficiente para proveer a 20 personas? 2. ¿Cuál es el número máximo de personas que se podrían beneficiar aprovechando eficientemente el terreno dado? 3. Dibuje tres maneras diferentes en las que se podrían sembrar las plantas de tomate en el terreno dado. 4. Invente una pregunta o problema sobre la situación planteada. Revisemos aquello que hemos hecho hasta ahora. Partimos de una situación real representada geométricamente y de un conjunto de datos dados previamente conocidos sobre la situación de nuestro interés. Distinguimos ente constantes y parámetros, paso muy importante en el proceso de aplicación de las matemáticas. Una vez comprendida la situación y las preguntas propuestas procedimos a responder estas últimas. La situación considerada anteriormente es, en cierta forma, estática. En ella no tenemos cosas en movimiento o procesos. A continuación estudiaremos un caso donde nos encontramos con magnitudes variables. Este ejemplo es tomado de Edwards y Mason (1989). Primero describiremos la situación problemática. ¿Cuántos carros pasan a través