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ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR Yenifer Johana Hernández León Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales Bogotá, Colombia 2016 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el título de: Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales Director: Ph.D., JAIRO ALEXIS RODRIGUEZ LOPEZ Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales Bogotá, Colombia 2016 Resumen y Abstract 3 Resumen El siguiente trabajo relaciona cuatro elementos fundamentales en los que se basa: El modelo y su relación con el modelo atómico de Bohr, los estudios de corte histórico- epistemológico y la enseñanza-aprendizaje de las ciencias. Con esto se busca desarrollar un enfoque donde se establece como eje central El modelo como principio fundamental y su incidencia en el desarrollo del modelo atómico de Bohr. De esta forma, se considera importante reconocer el análisis y caracterización de la implementación de una secuencia didáctica que con lleve a la descripción, la percepción del modelo y la correlación de este con la enseñanza aprendizaje del modelo atómico de Bohr con estudiantes de grado undécimo del Colegio Champagnat de Bogotá. Palabras claves: Modelo, representación, estudio epistemológico, enseñanza, aprendizaje, modelo atómico, Bohr. Abstract The following four key elements related work on which it is based: The Model and its relationship with Bohr's atomic model, cutting studies and historical-epistemological teaching and learning of science. This seeks to develop an approach which is established as the core model as a fundamental principle and its impact on the development of the atomic model of Bohr. Thus, it is considered important to recognize the analysis and characterization of the implementation of a teaching sequence that leads to the description, the perception model and correlating this with the learning of the atomic model of Bohr with students of eleventh grade of Champagnat Bogota School. Keywords Model, representation, epistemological study, teaching, learning, atomic model Bohr. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 4 CONTENIDO Resumen .......................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 10 1. 1.1 ANTECEDENTES ......................................................................................................... 11 1. Why we should teach the Bohr model and how to teach it effectively ...................... 11 2. Rise and premature fall of the old quantum theory .................................................... 12 3. Bohr’s atomic model revisited .................................................................................... 12 4. Early Atomic Models – From Mechanical to Quantum (1904-1913) ........................ 12 5. Constitution and Model: Bohr’s Quantum Theory and Imagining the Atom ............. 12 6. Sobre la estructura nuclear del átomo El Isospín como una explicación de la estabilidad del núcleo. ........................................................................................................... 13 7. Aportes de la espectroscopia al planteamiento de la teoría atómica de la materia ..... 13 8. Imágenes del átomo: un producto del esfuerzo científico por comprender la estructura de la materia. ......................................................................................................................... 13 9. Estudio histórico epistemológico del modelo atómico de Rutherford ....................... 14 10. Hacia una historia epistemológica de la química, Átomo. ......................................... 14 11. Los Modelos Atómicos desde la perspectiva de la historia y filosofía de la ciencia: un análisis de la imagen reflejada por los textos de química de bachillerato. ........................... 14 1.2 JUSTIFICACIÓN........................................................................................................... 15 1.3 OBJETIVOS................................................................................................................... 17 1.3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................. 17 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 17 ANÁLISIS EPISTEMOLÓGICO DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN .......... 18 2. 2.1 DEFINICIÓN DE MODELO......................................................................................... 18 2.2 EL MODELO COMO REPRESENTACIÓN DESDE LA CIENCIAS ........................ 19 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 5 2.3 EL MODELO COMO REPRESENTACIÓN EN LA ENSEÑANZA-APRENDIZAJE 22 ....................................................................................................................................................... 23 2.4 LAS NOCIONES COMO MOMENTO DE EVOLUCIÓN DEL PENSAMIENTO .... 24 2.5 EL MODELO CIENTÍFICO Y DIDÁCTICO COMO REPRESENTACIÓN EN LA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS. ....................................................................................... 26 ENSEÑANZA DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR................................................... 28 3. 3.1 PERFIL EPISTEMOLÓGICO DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR ...................... 29 3.2 LA ENSEÑANZA DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR EN EL AULA ................ 30 3.3 LA APARICIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR ........................................... 32 3.4 INCIDENCIA DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN EN LA COMPRENSIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR ..................................................... 42 ENSEÑANZA PARA LA COMPRENSIÓN Y CONSTRUCTIVISMO MODERADO 4. COMO HERRAMIENTA PARA LA ENSEÑANZA APRENDIZAJE DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR ............................................................................................................. 44 4.1 ACTIVIDAD 1: CONSTRUCCIÓN DEL PENSAMIENTO A PARTIR DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN ................................................................................ 47 4.2 ACTIVIDAD 2: ANALIZANDO Y CARACTERIZANDO MODELOS Y TEORÍAS FÍSICAS .................................................................................................................................... 48 4.3 ACTIVIDAD 3: PROCESO DE EXPERIMENTACIÓN, EXPLICACIÓN, ANÁLISIS Y DEDUCCIÓN DE HIPÓTESIS DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR. .......................... 49 4.4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LA SECUENCIA DIDÁCTICA ............................ 51 PRIMERA SESIÓN ...................................................................................................................... 52 SEGUNDA SESIÓN .................................................................................................................... 54 TERCERA SESIÓN .....................................................................................................................56 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 59 5. REFERENCIAS ................................................................................................................. 61 6. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 6 A. ANEXO: Actividad 1- Construcción del pensamiento a partir del modelo como representación ........................................................................................................................... 65 B. ANEXO: Actividad 2- Analizando y Caracterizando teorías ........................................ 67 C. ANEXO actividad 3: Caracterizando los espectros de emisión de elementos ............... 73 LISTA DE ESQUEMAS, FIGURAS Y TABLAS Esquema 1- Parámetros organizados en el segundo capítulo ............................................................. 18 Esquema 2- Esquema abreviado acerca de las relaciones entre la epistemología, la ciencia, la enseñanza y el aprendizaje. .................................................................................................................. 20 Esquema 3- Esquema abreviado acerca de las relaciones entre el Modelo y su enfoque epistemológico, la ciencia y la Enseñanza y Aprendizaje ................................................................... 23 Figura 1- Modelo atómico propuesto por J.J. Thomson ..................................................................... 32 Figura 2- Modelo atómico propuesto por Rutherford. ........................................................................ 33 Figura 3- Orbitas de Bohr del número cuántico .............................................................................. 36 Grafico 1- El momento angular orbital de los electrones en los atomos ......................................... 38 Grafico 2- Cuantización espacial del momento angular del electron ................................................. 41 Grafico 3- Cuantización espacial del momento angular del electron en la coordenada z .................. 42 Grafico 4- Cuantización espacial tridimensional del momento angular del electron en la coordenada z ................................................................................................................................... 42 Tabla 1- Resultados de actividades en la primera sesión .................................................................... 53 Tabla 2- Análisis de lo discutido en clase por cada grupo .................................................................. 55 Tabla 3- Análisis de las hipótesis planteadas por cada grupo ............................................................. 56 Tabla 4- Recolección de aprendizajes de cada grupo sobre la práctica .............................................. 57 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 7 INTRODUCCIÓN La enseñanza y el aprendizaje de las ciencias son acciones que se desarrollan frecuentemente en el aula y que permiten tanto al estudiante como al docente formalizar una relación fluida entre un conocimiento científico y su quehacer cotidiano; pero establecer una base de estrategias que favorezcan esta relación es una tarea que, para el docente, no se da fácilmente en su contexto, es necesario hacer oportunas decisiones en la selección de las herramientas que consoliden tales estrategias y permitan dicha formalización. De esta forma se considera fundamental discutir acerca del razonamiento basado en modelos, entendiendo los modelos como formas representacionales con las cuales nuestros estudiantes representan internamente los conceptos científicos. Para ello se recurrirá a la historia como fuente de conocimiento y a la epistemología como campo de interés, no sólo para los especialistas en esta rama del conocimiento, también para quienes se ocupan de los problemas de la didáctica de las ciencias experimentales, ya que este tipo de aproximaciones permite alcanzar una comprensión de la dinámica de producción de conocimiento. (Uribe Beltrán & Cuéllar Fernández, 2003) Se discutirá, entonces, a propósito del modelo como representación, basado generalmente en analogías, que se construyen contextualizando cierta porción del mundo que consideramos como real. (Chamizo, 2010) Para iniciar, se hace necesario reconocer las causas de las problemáticas que este trabajo manifiesta y que se desarrollan dentro de un contexto educativo. Entre tantas, la primordial es la forma en la que el docente organiza sus estrategias metodológicas, porque una de las bases del éxito de los procesos de enseñanza y aprendizaje en ciencias puede radicar en lograr relacionar los conceptos y contenidos abstractos con la realidad concreta y cotidiana. Por ejemplo, la construcción de modelos para llegar a las teorías atómicas más modernas y complejas se desarrolló a través de un proceso de deducciones, experimentos, inferencias y conclusiones que avanzaron en el camino de describir algo que no se puede ver directamente. Otra situación que permite afirmar lo anterior radica en las pocas analogías que existen en los textos de ciencias, específicamente de física, en donde no se le dedica un espacio de reflexión y detalle a cada uno ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 8 de los modelos atómicos. (Fernández, González, & Moreno, 2003) Por tales razones, el presente trabajo se fundamenta en cuatro elementos primordiales conectados entre sí mediante dos relaciones: El modelo como representación y su relación con el modelo atómico, los estudios de corte histórico-epistemológico y su relación con la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias. Se pretende, mediante la interacción de estos elementos, desarrollar una discusión que establezca, como eje central, el modelo como principio fundamental y su incidencia en el desarrollo del modelo atómico de Niels Bohr (1885 – 1962). Para la organización de la discusión se expone en primer lugar el objeto de la investigación estableciendo objetivos, estructurando el problema en contexto y especificando la metodología y los alcances de la propuesta. Posteriormente, en el segundo capítulo, se aborda el modelo como herramienta para incursionar en la epistemología y significar que las leyes, la razón, la experiencia, la inducción y la deducción no son las únicas formas de obtener conocimiento, también los modelos como representaciones nos permiten formar imágenes concretas de conceptos abstractos. (Garritz, 2005) La fundamentación filosófica de esta propuesta se establece a partir de los planteamientos de Gastón Bachelard (1864 – 1962), precursor de la noción de perfil epistemológico. (Bachelard, 2003) De este modo, se podrá caracterizar y tipificar el modelo como analogía de sistemas reales para aproximar una respuesta admisible desde un perfil epistemológico 1 con la que se pretende contrastar las diferentes nociones básicas y complejas de estos sistemas para dar significado a la filosofía de la ciencia. Para finalizar el segundo capítulo se prosigue con el tratamiento del significado de modelo y su posición dentro de la enseñanza y el aprendizaje como herramienta para la obtención de un conocimiento con aspecto racional. 1 Realizar el perfil epistemológico de un concepto significa rastrearlo en sus diversos momentos y en sus diversas aplicaciones para hacernos conscientes de las virtudes de cada uno, pero sobre todo de sus carencias e impulsar al concepto por caminos no recorridos, no experimentados. (Juárez Zarazoga, 2011) ANÁLISIS DEL MODELO COMOREPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 9 En el tercer capítulo se ofrece una relación entre el estudio del modelo desde un enfoque epistemológico y el desarrollo del modelo atómico de Bohr. A lo largo de la historia de las ciencias los científicos han mostrado interés por conocer la estructura de la materia y la naturaleza y comportamiento de los átomos que la conforman, de igual forma la historia da cuenta de las dificultades con las que se enfrentaron para llevar a cabo esta empresa: los átomos son tan pequeños que no pueden ser observados o tocados directamente, por lo que se hizo necesario hacer estudios indirectos de sus manifestaciones para obtener datos y construir un modelo que los describa. Así fue como se hizo en el siglo XX y así es como se hace aun hoy (Chamizo, 2010). Como resultado se afirma que las conexiones que Niels Bohr dibujó entre la física, el lenguaje y la filosofía, se trazan históricamente y su validez se analiza a la luz de la ciencia contemporánea. El diseño metodológico permite organizar la presentación de tal forma que los cuatro elementos expuestos anteriormente no se desliguen, ya que la relación entre ellos manifiesta el desarrollo y la fundamentación para el proyecto de investigación, dando lugar a la necesidad de la utilización de modelos, que se constituye en herramienta fundamental para la construcción y desarrollo de los diferentes modelos atómicos. Por último, la principal apuesta de este trabajo radica en poner de manifiesto la implementación del modelo como herramienta fundamental para escudriñar un poco más en los procesos cognitivos de aprendizaje y comprensión del modelo atómico. Conocer el razonamiento basado en modelos de profesores y estudiantes, es fundamental en el campo de la enseñanza de las ciencias, ya que nos permite entender mejor los procesos de construcción, evolución y cambio de esas representaciones y encarar entonces desde el punto de vista educacional, la tarea de la facilitación, de la enseñanza y aprendizaje significativo de las ciencias. (Moreira, Greca, & Rodriguez Palmero, 2002). ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 10 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1. Las ciencias físicas, en su desarrollo contemporáneo pueden caracterizarse epistemológicamente como campos del pensamiento que rompen claramente con el conocimiento vulgar. El sólo hecho del carácter indirecto de las determinaciones de la realidad científica nos sitúa en un nuevo reino epistemológico. Por ejemplo, mientras se trataba, en un espíritu positivista, de determinar los pesos atómicos, la técnica- sin duda muy precisa- de la balanza era suficiente. Pero cuando en el siglo XX se escogen y se pesan los isótopos, se necesita de una técnica indirecta. El espectroscopio de masa indispensable para esta técnica está basado en la acción de los campos eléctricos y magnéticos. Es un instrumento que se puede calificar de indirecto si se compara con la balanza (Bachelard, 1989) De este modo y a lo largo de la historia se han presentado variedad de situaciones en las que no es suficiente un instrumento directo para medir o hacer experimentos sobre la naturaleza física de algo. Tal es el caso del átomo, en donde paso a paso se descubrieron las partículas que lo conforman; cada vez que se descubría una nueva partícula, se elaboraba un modelo de átomo más avanzado. A su vez, con cada nuevo modelo se intuía la existencia de partículas adicionales, las cuales se buscaban y muchas veces se encontraban. Otras veces se construían novedosos modelos, hasta llegar a las teorías atómicas más modernas y complejas. Una vez más, a través de un camino de deducciones, experimentos, inferencias y conclusiones se va avanzando en la tarea de describir algo que no se puede ver directamente (Garritz, 2005) En su artículo “Epistemología y Didáctica de las Ciencias, un Análisis de Segundo Orden” Rupérez afirma que la epistemología es en producto una reflexión sobre la ciencia, sobre sus fundamentos, sus métodos, y su modo de crecimiento, no constituye una construcción racional aislada en las alturas de su nivel metacientífico sino que forma parte de un entramado de relaciones fluidas con la ciencia, algunas de las cuales tienen una indiscutible dimensión práctica (Lopez Ruperez, 1990). Aproximando una relación entre estas afirmaciones y la enseñanza de la física, encontramos que ésta se caracteriza epistemológicamente por medio de campos de pensamiento en los que se desarrolla frecuentemente un conocimiento de forma práctica, independientemente desde la experiencia, las leyes de la naturaleza, la razón o las representaciones. De modo semejante con la utilización de modelos, también se obtiene un nivel ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 11 de práctica más reflexivo, ya que el uso de modelos aparece con mayor frecuencia en trabajos de investigación en enseñanza de las ciencias y de la física en particular. Por lo tanto, el planteamiento del problema se hace desde una perspectiva didáctica (enseñanza y aprendizaje) en donde los estudios de corte histórico-epistemológico acerca del modelo son fuentes organizadoras de conocimiento basadas en la existencia de la ruptura con un conocimiento común. Entonces se hace una contextualización a partir de las habilidades y los intereses que tiene el maestro como productor de conocimiento y que utiliza el razonamiento basado en modelos para llegar a la producción de conceptos abstractos que quiere que el estudiante conciba como realidad. En consecuencia, la pregunta que da forma al problema es ¿De qué manera la utilización de modelos desde una perspectiva epistemológica se constituye una herramienta fundamental para la construcción y desarrollo del modelo atómico de Bohr y su comprensión en las clases de física de grado undécimo en el Colegio Champagnat de Bogotá?. 1.1 ANTECEDENTES 1. Why we should teach the Bohr model and how to teach it effectively Este trabajo es presentado por: S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, departamento de física, Universidad de Colorado y Universidad de Columbia Británica. El artículo contiene información acerca de la inhibición que tienen algunos docentes en la enseñanza de modelo atomico de Bohr Presenta los resultados del diseño de un plan de estudios sobre a enseñanza y aprendizaje del modelo atómico de Bohr, además de examinar las descripciones realizadas por los estudiantes sobre los diferentes modelos atómicos en particular el de Bohr, finalizan convluyendo que de acuerdo a los análisis estudiados en los planes implementados con los estudiantes se encuentran que la comprensión de las razones para el desarrollo de modelos es mucho más difícil para los estudiantes que la comprensión de las características de los modelos. También presentan las simulaciones por ordenador interactivos diseñados para ayudar a los estudiantes a construir modelos del átomo con mayor eficacia. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 12 2. Rise and premature fall of the old quantum theory El autor Manfred Bucher en el año 2008 del departamento de física de la universidad del estado de California, presenta conceptualmente el modelo atómico de Bohr y Sommerfeld dando a conocer porque el modelo no es aceptado teóricamente a nivel científico reconociendo los errores que particularmente Niels Bohr comete en su modelo. Reconoce la forma en que estos científicos presentan los números cuánticos angulares, el momento angular del electrón alrededor del átomo,la geometría de la órbita…etc. No obstante el atractivo visual de Bohr-Sommerfeld sigue estando vigente en el contexto pedagógico comprendiendo el carácter abstracto de la mecánica cuántica. 3. Bohr’s atomic model revisited Este trabajo escrito por F. Caruso del Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas y Dr. Xavier Sigaud y Rio de Janeiro, RJ, Brasil, realiza un recorrido teórico conceptual del modelo atómico de Bohr, mostrando los postulados del científico basados en el modelo atómico de Rutherford, además de la matematización en los niveles de energía y la cuantización del momento angular y el electrón como un oscilador armónico. 4. Early Atomic Models – From Mechanical to Quantum (1904-1913) Escrito por Charles Baily del departamento de física de la Universidad de Colorado. Donde se hace un recorrido histórico de los modelos atómicos que contribuyeron al trabajo descriptivo y razonable del modelo atómico cuántico, empezando por el modelo atómico de Thomson quien tenía una mirada “corpuscular” de los átomos y le modelo atómico de Rutherford quien situó mejor la exploración al interior del átomo y midiendo cuidadosamente le permitió inferir la existencia de un núcleo, finalmente el escrito deja entendido que Niel Bohr se dedicó particularmente en la inestabilidad de radiación inherente a cualquier átomo de la mecánica, además de tener éxito en la predicción de espectros de emisión. 5. Constitution and Model: Bohr’s Quantum Theory and Imagining the Atom Trabajo escrito por Giora Hon del departamento de filosofía de la universidad de Haifa y Bernard R, Goldstein de la escuela de Dietrich de Artes y Ciencias, Universidad de Pittsburgh, EE.UU, en el 2005. donde explica que le modelo atómico de Bohr comienza sus raíces en las ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 13 teorías de Ernest Rutherford, Joseph J. Thomson y John W. Nicholson, Bohr no realizo o argumento su teoría en términos de los modelos anteriores, el contrasta revelando un carácter filosófico en su teoría atómica, en el recorrido histórico y filosófico que realizan los dos autores de este escrito, se argumenta que Niels Bohr evita intencionalmente el concepto de modelo dando a conocer que no es una palabra adecuada para tu teoría, estaba interesado es descubrir un pequeño pedazo de la realidad. 6. Sobre la estructura nuclear del átomo El Isospín como una explicación de la estabilidad del núcleo. Este título hace referencia a la monografía presentada para optar el título de licenciada en física. Realizada por Jenny Alexandra Garzón Villalba. El trabajo contiene un contexto histórico donde presenta la pertinencia de este con relación a las teorías atómicas para explicar un sistema más complejo que este: El núcleo atómico. Además trabajo sobre los conceptos dados de imagen y representación asociados a cada una de las explicaciones sobre la estructura de la materia de carácter intuitivo. También presenta una reflexión sobre la fenomenología de las teorías atómicas y nucleares a finales del siglo XIX, concluyendo con un estudio sobre el concepto de Isospín; se hace explicita la importancia de la actividad experimental en la construcciones de tales teorías. 7. Aportes de la espectroscopia al planteamiento de la teoría atómica de la materia En este trabajo se presenta un análisis descriptivo sobre la espectroscopia el cual comienza con la teoría de Rutherford y la suposición de la existencia de un núcleo cargado positivamente en el interior del átomo todo ello con la idea de presentar los aportes que los estudios de espectros hicieron en la complementación de la teoría atómica de la materia. Por Diego Javier Gaitán. (2009) como requisito para optar el título de Licenciado en Física. 8. Imágenes del átomo: un producto del esfuerzo científico por comprender la estructura de la materia. En este escrito se hace un análisis interpretativo de la idea de átomo, en el que se presentan cuatro concepciones que están presentes en la historia del átomo y que ven la necesidad de resaltar este camino ya que desde el punto de vista de la enseñanza de la física es necesario que tanto el docente como el estudiante sean conscientes de la complejidad de los conceptos, es decir que sea consciente del contexto histórico y conceptual y de las rupturas que este ha sufrido. Por P. Cabrera y C. Naizaque como requisito para optar el título de Licenciado en Física. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 14 9. Estudio histórico epistemológico del modelo atómico de Rutherford En este artículo se hace un análisis del modelo atómico de Rutherford desde el punto de vista histórico-epistemológico. La historia interna que se estudia empieza con el modelo atómico de Thomson, los problemas que presentó y la solución dada por Rutherford, y el modelo de Bohr, que resolvió algunas de las preguntas que se suscitaron a partir del modelo anterior, con la mirada desde la mecánica cuántica. Por Uribe Beltrán. M.V. Docente Universidad de la Sabana. Cuellar Fernández L, Maestría en Docencia de la Química. Otros espacios académicos 10. Hacia una historia epistemológica de la química, Átomo. Este título referencia un libro, sin embargo los autores lo presentan de forma virtual como blog, en donde dan a conocer la historia y la epistemología que gira alrededor de la teoría atómica, y los modelos atómicos planteados por cada científico en su época.es presentado por Cubillos G., Poveda F., Villaveces J.L. Academia Colombiana de Ciencias (1989). 11. Los Modelos Atómicos desde la perspectiva de la historia y filosofía de la ciencia: un análisis de la imagen reflejada por los textos de química de bachillerato. En este artículo se comienza afirmando que recientes estudios han señalado que la interpretación que dan los textos universitarios de Química General de la evolución de la ciencia, contradice los eventos históricos. El presente estudio tiene como propósito fundamental analizar en qué grado, la imagen que presentan los textos de bachillerato sobre la evolución de los modelos atómicos, concuerda con el enfoque actual de la Historia y la Filosofía de la Ciencia. Para ello se analizaron 27 textos de Química de bachillerato (16 de noveno grado y 11 de primer año de ciencias). Se utilizaron una serie de criterios racionales que reflejan el enfoque actual de la Filosofía de la Ciencia y que permitieron evaluar, cualitativamente, el enfoque de los textos sobre los modelos atómicos de Thomson, Rutherford y Bohr. Por Ysmandi Páez, María A. Rodríguez. España. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 15 1.2 JUSTIFICACIÓN El razonamiento basado en modelos, nos permite disponer de un sistema de conocimiento diferente en donde se pueden rastrear mecanismos a través de los cuales se producen nuevas representaciones científicas a partir de las anteriores: “hoy se asume que no aprehendemos el mundo directamente, sino que lo hacemos a partir de las representaciones que de ese mundo construimos en nuestras mentes” (Moreira, Greca, & Rodriguez Palmero, 2002). Se reconoce entonces que se puede disponer de los modelos como elemento mediador para efectuar una comunicación entre el docente y el estudiante, comunicación en la que las dificultades del lenguaje cotidiano son brechas que se pueden ir cerrando para luego considerar un lenguaje científico. De este modo, es importante resaltar que existe diversidad de modelos en los que el maestro se puede enfocar para concebir una estrategia metodológica completa que asegure que las representaciones que los estudiantes puedan tener no queden expresadas en un lenguajecomún. Cabe resaltar que el proyecto de investigación también busca proporcionar nuevas ideas para la enseñanza de las ciencias, encaminado al modelo atómico como eje de referencia, porque la enseñanza del átomo presenta un problema y es la comprensión de su estructura y su forma. Entender el tamaño del átomo refiere a la idea de algo no observable y palpable, entonces es allí donde se encuentra la gran facilidad de relacionar la existencia y el tamaño de un átomo con el modelo mental. Por consiguiente, los modelos atómicos se representan como un modelo mental, organizado con un lenguaje totalmente científico para cada una de las representaciones que la comunidad científica admite. En los libros de texto y en el aula, aparecen aun presentadas de forma cronológica las diferentes propuestas acerca de los modelos de átomo: Los científicos Demócrito (filósofo griego c. 460 a.C. – c.360 a.C.), John Dalton (químico británico 1766 – 1844), J.J Thomson (científico británico 1856 – 1940), Ernest Rutherford (químico y físico neozelandés 1871 - 1937) y Niels Bohr (físico danés), son los más frecuentados de forma mecánica, en consecuencia se puede ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 16 preguntar ¿Qué pasa con el conocimiento que se obtiene a partir de los modelos o de un sólo modelo?, o simplemente se podría pensar que toda esta es una cantidad de información que se entrega al estudiante. Desde esta perspectiva, se considera que los estudiantes no son pasivos recipientes de información, sino activos constructores de su conocimiento (Perkins, 1999) de tal manera que aprender ciencias significativamente implica que los estudiantes sean capaces de recrear esas teorías en sistemas de representación internos de conceptos relacionados, y no como simples listas de hechos y fórmulas, que es lo habitual en los materiales curriculares y en las aulas de ciencias. Por último, se debe resaltar que el estudio de corte histórico- epistemológico es elemento fundamental para el desarrollo del proyecto, teniendo en cuenta que la historia y la epistemología son fuentes de conocimiento formal y racional. Y desde allí vale realmente como conocimiento ya que existe, además, una relación con la enseñanza y el aprendizaje en tanto forma parte de un consenso a veces tácito, a veces explicito, dentro de la comunidad científica que trabaja en el ámbito de la didáctica de las ciencias. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 17 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Establecer una secuencia didáctica por medio de un estudio de corte histórico- epistemológico, las relaciones que el razonamiento basado en modelos aporta en la concepción del modelo atómico de Bohr en la enseñanza y el aprendizaje de la física de grado undécimo en el Colegio Champagnat de Bogotá. 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Identificar textos base que permitan el análisis del modelo como fuente organizadora de conocimiento desde una perspectiva histórica-epistemológica. Utilizar la historia como fuente para la indagación del desarrollo del modelo atómico particularmente el de Niels Bohr y de las ideas que éste fue gestando a partir de modelos precedentes. Implementar una estrategia didáctica que facilite la apropiación de los conceptos básicos para la enseñanza-aprendizaje del modelo atómico de Bohr. Diseñar talleres experimentales que relacione el razonamiento basado en modelos para la concepción del modelo atómico de Bohr Explorar las necesidades y aprendizajes a las que responden los estudiantes luego del diseño y la implementación de la secuencia didáctica desde el razonamiento basado en modelos para el aprendizaje del modelo atómico de Bohr. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 18 ANÁLISIS EPISTEMOLÓGICO DEL MODELO COMO 2. REPRESENTACIÓN Los modelos son representaciones mentales (sin importar la forma de representación) que los científicos utilizan para razonar (Nersessian, 1999) y por tanto favorecen la construcción y utilización del conocimiento científico. De este modo, por ser productos del pensamiento humano, al ser utilizados para la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias, ellos permiten simplificar fenómenos complejos y ayudan en la visualización de entidades abstractas. En lo que sigue, se discutirá acerca del modelo como representación teniendo en cuenta los siguientes elementos: 2.1 DEFINICIÓN DE MODELO El concepto de modelo se ha estudiado a lo largo de la historia, siendo trabajado en contextos como el de la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias naturales, sin dejar a un lado las ciencias sociales, la educación y la cotidianidad; cuando el modelo se ve reflejado en estos contextos presenta diferentes facetas que le otorgan diversas razones al porqué de su existencia. Desde su significado, el modelo normalmente se considera como una representación que se sigue o imita con un fin dado, por ello en el mundo existen objetos o formas a seguir como el caso de las prendas que son exhibidas por un modelo para dar cuenta de su utilidad y gracia a la hora de lucirlas, o la valentía de un guerrero, la inteligencia de un sabio, la solidaridad de un médico, la velocidad de un corredor y la belleza de una mujer, estos son EL MODELO Desde una perspectiva Como Con carácter Concepto Científico Didáctico Epistemológica Esquema 1 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 19 ejemplos de modelos en este sentido. También lo están los modelos curriculares para dar una mayor organización dentro de un sistema pedagógico, los modelos gráficos, los científicos y los didácticos, entre otros. Sin embargo, la idea de modelo ha trascendido diferentes escenarios, en unos más que otros, dando cuenta de su frecuencia y mayor importancia en la interpretación del carácter del pensamiento y de la actividad de los científicos (Gallego, 2004), en este caso no es sólo un modelo social el que se sigue sino también un modelo en el que las relaciones con un mundo que se quiere entender son más habituales: un modelo desde un enfoque científico y didáctico. De acuerdo al contexto, el modelo que se sigue dentro del presente trabajo, es un modelo que está ligado a la enseñanza de la física (modelo didáctico) y a su vez a la interpretación del modelo atómico de Bohr (modelo científico) que será expuesto más adelante. 2.2 EL MODELO COMO REPRESENTACIÓN DESDE LA CIENCIAS A diferencia de los modelos que se siguen particularmente en la sociedad, el modelo que se pretende estudiar aquí está relacionado con la enseñanza de las ciencias particularmente la física y el desarrollo investigativo que tuvo Niels Bohr con su modelo de átomo, dando así al modelo un enfoque epistemológico y permitiéndonos disponer de un conocimiento diferente en el cual los conceptos dados en la enseñanza de las ciencias son un conjunto de formas fundamentadas en la razón. Normalmente la epistemología es un mecanismo por el cual se nos permite hablar de conocimiento humano y también de actividad científica, otorgando un carácter adicional a la estructura de pensamiento que desarrolla el hombre, sin embargo existen más motivos que se encuentran ligados al conocimiento y al desarrollo científico ¿de qué manera asociarlos?, la epistemología es en producto una reflexión sobre la ciencia, sus fundamentos y su modo de crecimiento que forman un entramado de relaciones fluidas con la enseñanza de la ciencias haciendo de ella algo más prácticoy reflexivo. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 20 De acuerdo con lo anterior se presenta de manera esquemática la representación de un entramado de relaciones entre la epistemología, la ciencia, la enseñanza y el aprendizaje. Las relaciones que se dan son: 1. La aparición de la epistemología para dar forma al quehacer científico y entendida como la teoría de la ciencia y la investigación (Guillén, 2007). 2. El impacto de la epistemología presente en la enseñanza de la física. 3. Intuir la importancia de la epistemología para favorecer aprendizajes más significativos. 4. Enseñanza y Aprendizaje dos factores importantes presentes en el aula. 5. El papel de la historia y la filosofía para la enseñanza de las ciencias. 6. Las aportaciones de enfoques didácticos para el aprendizaje de las ciencias. En el esquema 2. Se muestra cómo la epistemología encaja y armoniza cada una de las partes que conforman un sistema de conocimiento científico, en donde los niveles conceptuales juegan un papel primordial dentro de la enseñanza y el aprendizaje. En un primer momento la filosofía le da forma a la epistemología considerándola como carácter del conocimiento humano enfocado en las ciencias, de la misma forma como el hombre intenta comprender la naturaleza de manera que ésta sea inteligible para él, por ejemplo la física cuántica o más bien la enseñanza de EPISTEMOLOGÍA CIENCIA ENSEÑANZA APRENDIZAJE 5 6 2 3 1 4 Esquema 2 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 21 la física cuántica parece estar muy alejada de una comunidad que quiere saber de ella, una comunidad que no es precisamente científica o solo ésta es la que parece estar adyacente, los formadores de estas teorías. En este orden de ideas es oportuno expresar lo siguiente: “Debido al alto nivel de elaboración requerido para la formulación de las teorías físicas modernas, fácilmente se tiene la impresión de que se requieran dotes intelectuales extraordinarios para hacer de ellas algo inteligible o que el mundo físico, al cual ellas se refieren, es algo ininteligible. Ambas conclusiones inducen al estudiante a renunciar a entender las implicaciones de lo que las teorías físicas dicen sobre el mundo” (Bautista R, 2013). Siguiendo esquemáticamente la relación que existe entre la epistemología y las demás formas de acción que se presentan, se acrecienta la dificultad de conocer o entender “el mundo físico” y con ello se ven relacionadas temáticas como la enseñanza de la física cuántica, un tema necesariamente inteligible dentro de la comprensión epistemológica de un conjunto de acciones realizadas por una comunidad científica, acciones como toma de datos, montaje de experimentos que llevaron a conflictos con las teorías ya aceptadas en la época. La descontextualización existente, manifiesta en los libros de física relacionados con la mecánica cuántica y la enseñanza dentro del aula, resulta en que el estudiante termine por no comprenderla; no basta mostrar teorías ya formalizadas, es necesario la contextualización y otros aspectos también relacionados particularmente: • “Imágenes del mundo físico” • Supuestos epistemológicos que sustentan la actividad de los físicos • Las nociones que el sujeto construye y que sirven como base para la elaboración Teniendo en cuenta las ideas de Cualidad, Estado y Observación. (Bautista R, 2013). Con lo anterior se sitúa un ejemplo claro sobre el desarrollo de una temática emergente dentro de la física, donde se involucran la enseñanza y el aprendizaje de algún tema en particular expuesto por la ciencia y la presencia de la epistemología como supuesto que sustenta la actividad científica para el desarrollo de un conocimiento científico. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 22 2.3 EL MODELO COMO REPRESENTACIÓN EN LA ENSEÑANZA- APRENDIZAJE Siguiendo con los demás elementos esquematizados, la enseñanza y el aprendizaje son dos factores importantes presentes en el aula, son acciones que allí se dan frecuentemente, desarrolladas por el papel que juegan el docente y el estudiante. Epistemológicamente las temáticas dadas por el docente deben ser fundamentadas, es necesario que éste sea particularmente capaz de llegar a una transposición didáctica en donde el conocimiento científico sea un conocimiento posible de ser enseñado en el aula e impulse al estudiante a ser un activo desarrollador de su propio conocimiento. Las aportaciones didácticas para el aprendizaje de las ciencias son continuas, de manera que dentro de la enseñanza y el aprendizaje de estas existe la posibilidad de analizar desde un punto de vista epistemológico la presencia del Modelo, ya sea científico o didáctico como soporte para la explicación de un mundo real e inteligible. El Modelo dentro de la didáctica de las ciencias ha ido evolucionando hacia la acomodación de evidencias empíricas acerca de hechos observados además, como instrumento que puede facilitar la comprensión de los estudiantes sobre diversos aspectos relacionados con la naturaleza de la ciencia, contribuyendo así mismo a desarrollar habilidades metacognitivas (Coll, France, & Taylor, 2006) En este contexto, se entiende que un modelo cualquiera es una entidad no lingüística que sirve al individuo a modo de representación simbólica interna y operativa, el mapa, de algunos aspectos del mundo. Representación y realidad se vinculan, analógicamente, en forma más o menos estrecha. Una familia de modelos particularmente elaborados y complejos, enlazados por medio de vínculos fuertes (ligaduras), y ricamente caracterizados por medio de enunciados lingüísticos, constituye una teoría científica (Aduriz-Bravo & Morales, 2002). Con el propósito de presentar el modelo como estrategia para favorecer el aprendizaje en el ámbito conceptual y reforzar la idea del desarrollo de una imagen más ajustada de cómo funciona la ciencia, se esquematiza en el Esquema 4 la presencia del Modelo y su relación desde un enfoque epistemológico como dos recursos colaborativos dentro de la enseñanza- y el aprendizaje. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 23 Las relaciones que se dan con la presencia del modelo son: 1. La construcción del Modelo es algo inherente al proceso de conocimiento (Hanson, 1958). 2. La ciencia como conjunto de conocimientos estructurados, donde el modelo, la epistemología, la Enseñanza y el aprendizaje son recursos que involucran a la ciencia para sistematizar el conocimiento científico. 3. Enseñanza y Aprendizaje como dos componentes presentes en el aula. Dando cuenta que el Modelo es un término polisémico por lo que se pueden generar ambigüedades, algunas de las connotaciones en las que se ve sumergido el modelo no son considerables para el proceso que se quiere desarrollar en este trabajo, dicho proceso tiene que ver con dar un sentido epistemológico al Modelo considerándolo como una especie de descripción o representación de situaciones, fenómenos, entre otros, en función de teorías ya propuestas por la comunidad en este caso científica. Dicha representación es una construcción racional que llega a alcanzar ciertos niveles epistemológicos dentro de la filosofía. Sea, a modo de ejemplo, lo que Gastón Bachelard expresa (Bachelard, 2003), el conocimiento puede ser ordenado de acuerdo a distintos niveles nocionales en los que se encuentra las filosofías científicas diferentes, y sin duda progresivasen cuanto a la jerarquía del conocimiento sobre el mismo. Entonces algunos de los niveles nocionales que se tienen es el concepto de Masa, con sus diferentes representaciones que parten de la intuición hasta un EPISTEMOLOGÍA CIENCIA ENSEÑANZA APRENDIZAJE 2 3 1 MODELO Esquema 3 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 24 conocimiento bien estructurado sobre un modelo dado de Masa y que sin lugar a dudas este evoluciona a partir de una noción simple hasta llegar a una noción compleja. En suma, la epistemología del Modelo da cuenta del nivel de conocimiento al que puede llegar el sujeto partiendo de una temática simplista hasta compleja, pero que es desarrollado autónomamente por éste, partiendo del hecho que el modelo estructuralmente es un medio de ayuda para conocer, entender, intuir, inducir y deducir de manera general el mundo que naturalmente se quiere concebir. Entonces el modelo termina siendo una construcción racional de un campo de estudio concreto, y suele presentarse en diferentes grados de abstracción según el sujeto que lo conciba. 2.4 LAS NOCIONES COMO MOMENTO DE EVOLUCIÓN DEL PENSAMIENTO En este apartado se dan a conocer las nociones que el sujeto concibe según la temática presentada dentro de la enseñanza de las ciencias, epistemológicamente se habla de nociones como momento de la evolución de pensamiento al percibir los diferentes niveles que puede alcanzar o llegar el sujeto según el concepto dado, jerarquizándolos de manera que el progreso de pensamiento sea una forma razonable de concebir naturalmente el mundo. Conocer científicamente una ley natural, es conocerla a la vez como fenómeno y como noúmeno. (Bachelard, 2003), esto quiere decir que el fenómeno es construido por el sujeto y por esencia es subjetivo, ya que el conocimiento extraído del fenómeno se somete a los atributos intelectuales del sujeto además de ser el resultado de la acción de organizar las sensaciones que este realiza para dar cuenta de las mismas, la construcción del fenómeno es una de las facetas de la actividad de conocer, pero el noúmeno es una actividad opuesta al fenómeno y es aquella que permite conocer pero no desde la intuición sensible sino desde una intuición intelectual o suprasensible. Para Kant, el noúmeno es el objeto tal como es "en sí" mismo, independientemente de nuestro modo de conocerlo, al que denomina "la cosa en sí". Kant lo opone al fenómeno, al objeto tal como es para nosotros, es decir, tal como lo conocemos en función de las formas a priori de la sensibilidad y del entendimiento. (Webdianoia, 2013). ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 25 Para fundamentar la afirmación de las nociones como momento de evolución del pensamiento se muestra claramente los diferentes niveles por los que el sujeto pasa para concebir algo que Bachelard define particularmente como sustancialismo, por ejemplo la noción que se tiene de Masa, la primera forma que se le da es una apreciación cuantitativa de la realidad, como adjetivos de algún sustantivo en particular (gordo, glotón, pesado). En segundo lugar, el nivel a estudiar sobre la masa es un nivel empírico o una determinación objetiva precisa, es decir el concepto está ligado al proceso de la balanza; este artefacto recibe el beneficio inmediato de objetividad instrumental. De esta manera no es el único instrumento utilizado, ya que a través de la historia de las ciencias los instrumentos han marcado un papel importante dentro del desarrollo nocional, presentándose como activos frente a propósitos como la aparición de teorías donde procede el instrumento, de tal modo que el instrumento en física es una teoría realizada y materializada con esencia racional. En un tercer lugar, la masa se concibe desde otro nivel, el racional; se define entonces la masa como un cuerpo de nociones, con Newton la masa se define como el cociente entre la fuerza y la aceleración (Bachelard, 2003), o en fluidos como el producto de la densidad y el volumen de un cuerpo en particular. Se reconoce entonces que la masa se convierte, como un concepto nocional simple que sin lugar a dudas llega a ser una noción compleja, siguiendo epistemológicamente algunas perspectivas filosóficas enmarcadas en el concepto. Para seguir contextualizando los diferentes niveles nocionales dentro de la enseñanza de la física, damos cuenta que las diferentes temáticas involucradas allí, carecen tener las mismas características, por ejemplo la comunidad científica se ha encargado de la evolución y desarrollo, la estructura y forma del átomo sin importar una construcción indirecta de él. El experimento con los rayos catódicos de J.J Thomson, la razón entre la carga del electrón y la masa, el protón como partícula subatómica, la radiactividad y el modelo nuclear del átomo para luego llegar al descubrimiento de los rayos X, son uno de los tantos hechos en los que la epistemología y la historia se enmarcan para dar un significado de conocimiento reflexivo y científico. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 26 Del mismo modo surgen otras temáticas expuestas dentro de la ciencia de las que la epistemología ha dado razón para articular un conocimiento reflexivo, en donde las nociones sean un momento para la evolución del pensamiento como lo expresa el apartado, envolviendo el modelo como forma representacional para hacer de estas temáticas algo inteligible. Así un concepto es más simple o más complejo de acuerdo con la perspectiva con que se le mire, y esa complejidad estaría asociada al progreso científico (E Viau, E Moro, Zamorano, & M Gibbs, 2008) “…en resumen, la noción simple deja lugar a la noción compleja, sin renunciar por otra parte a su papel de elemento. La masa sigue siendo una noción básica y esta noción básica es compleja…” (Bachelard, 2003) 2.5 EL MODELO CIENTÍFICO Y DIDÁCTICO COMO REPRESENTACIÓN EN LA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS. Partiendo de la descripción dada anteriormente del modelo como concepto polisémico, los modelos más significativos y que este trabajo pretende desarrollar están involucrados dentro de un ambiente donde las acciones de Enseñanza y Aprendizaje son activas; tanto el estudiante como el docente que las realiza son trabajadores y eficaces en su propio aprendizaje y enseñanza, esto nos lleva a ampliar estrategias didácticas como el modelo y la presencia de las ciencias dentro del aula como objetivos claros de cada sujeto. Dentro de la epistemología la noción de modelo científico ha estado estrechamente ligada a la teoría y su interpretación, los científicos construyen modelos sobre una determinada porción del mundo y son dichos modelos, con sus ventajas y desventajas lo que reportan a sus colegas. Contrariamente a lo que se piensa comúnmente, una vez que no hay un método científico, una de las actividades principales de los científicos es evaluar cuál, de entre dos o más modelos rivales, encaja con la evidencia disponible y por lo tanto cuál representa la explicación más convincente para determinado fenómeno en el mundo (Chamizo, 2010). El Modelo Científico se ve claramente vinculado dentro de la teoría. Sin embargo, aparece también como metodología, que para algunos científicos es suficiente para la fundamentación de sus teorías ya aceptadas, este Modelo encierra una estructura clara la cual da marco a su contenido teniendo en cuenta que es un intermediario entre la teoría que sustenta el ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR27 programa y la praxis experimental (Torres, 2006) . A través de los modelos atómicos que se enseñan, las deducciones, experimentos, inferencias y conclusiones a las que está ligado este, se denota, rasgos esenciales del Modelo Científico, una posición epistemológica frente al conocimiento científico enseñado. El hecho de que la epistemología mantenga relaciones de diversa naturaleza con la ciencia y su didáctica abre la posibilidad de efectuar un análisis de tales relaciones de corte epistemológico de segundo orden, en la medida en que es la propia epistemología la que se convierte en objeto de crítica y de reflexión. Dentro de la Enseñanza y Aprendizaje cabe notar que el Modelo Científico juega un papel importante ya que contiene una articulación a un gran número de niveles de abstracción referidos a un cierto campo problemático de la realidad, los modelo científicos que se han dado a lo largo de la historia han ido sucediendo de manera más poderosa e incorporada sin contar la manera con que frecuentemente aparecen en los escritos, esto le da un alto grado de formalización que causa estar fuera de la comprensión de los estudiantes dentro del aula. Aprender ciencias siguiendo modelos científicos bien formalizados requiere, entonces reconstruir los contenidos científicos por medio de un Modelo didáctico que llegue a integrarse en el aula, podría aparecer la idea de una transposición didáctica donde el conocimiento científico se transforme de manera que sea posible su aprendizaje por los estudiantes. El modelo didáctico está directamente involucrado en la Enseñanza y Aprendizaje, como formas de representación para concebir alguna temática dentro de la enseñanza de la física y que son presentados por el docente como generador de conocimiento y conocedor de un ambiente escolar, dentro de variedad de circunstancias los modelos científicos utilizados para la enseñanza en el aula se presentan de manera sintética donde el significado solo se encuentra para el nivel del docente y de los expertos en ciencias, pero no aparece por ningún lado lo relativo a la estructura cognitiva del estudiante. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 28 En estas circunstancias, los alumnos deben incorporar memorísticamente un modelo que no es completamente científico y que, además les resulta escasamente significativo (Galagovsky & Aduriz-Bravo, 2001). Referidas a este contexto, las relaciones que existen entre formalizar la estructura cognoscitiva del estudiante con un modelo didáctico y las diferentes estructuras dadas en ciencias tienen que ver básicamente con el sentido que el docente procede para alcanzar alguna comprensión por parte del estudiante. Teniendo en cuenta que dentro del aula los estudiantes presentan diferentes recursos para la comprensión como son: los libros, guías, conferencias o clases realizadas por el docente u otras fuentes de información. ENSEÑANZA DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 3. Para este capítulo se pretende reconocer la importancia del modelo atómico en la enseñanza de las ciencias específicamente de la física en el aula de clase, y dar cuenta la forma en que estas temáticas son desarrolladas por parte del profesor y de qué manera son entendidas por el estudiante. Partiendo del hecho que los conceptos dados con el modelo atómico son fundamentales, así como lo ha sido para lo comunidad científica, en el desarrollo de los últimos ochenta años y que aún es tema de investigación. Luego se realiza una caracterización acerca del modelo atómico de Bohr y la importancia de estar presente en las temáticas desarrolladas dentro de las clases de física. Teniendo en cuenta que los modelos atómicos anteriores son base para la comprensión de la estructura de la materia y la evolución que estos han tenido, es hora que el docente formalice su enseñanza de manera que el modelo pre-cuántico y/o cuántico sea también incorporado dentro de esa línea de tiempo tan habitual, que el docente maneja en sus clases. Además de tener al margen esa deducción tan frecuente que se da acerca de los diferentes modelos atómicos como un cuento de hadas que el estudiante concibe si no que da cuenta que son creaciones del intelecto humano para dar razón que son un constituyente básico de la materia basados en valores numéricos y datos experimentales, avalados por teorías aceptadas. (Cabrera, Quiroga, & Naizaque, 2009). ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 29 3.1 PERFIL EPISTEMOLÓGICO DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR En el capítulo anterior se presentó el perfil epistemológico como los diferentes niveles nocionales de algún concepto o teoría científica que el sujeto conoce, y que Gastón Bachellard ejemplifica con el concepto de masa. En este apartado se hará el mismo ejercicio con el modelo atómico de Bohr y los diferentes niveles nocionales que se pueden encontrar, para ello es importante insistir que el perfil epistemológico debe ser relativo a un concepto designado, que vale sólo para para un espíritu particular que se examina así mismo en un estadio particular de su cultura. (Bachelard, 2003) Dentro del modelo atómico de Bohr se identifican varios niveles nocionales, desde el nivel empírico nocional donde se reconoce que el sujeto adopta el modelo atómico de Bohr como una teoría más desarrollada, la cual no deja de ser una explicación sobre la composición de la materia. Aparecen otros niveles nocionales evolucionados dentro del espíritu científico del sujeto donde se hace una descripción más selecta de lo que Niels Bohr presenta en su modelo de átomo, y la relación con el modelo planetario de Copérnico (1473-1543) donde se hace la analogía con el movimiento orbital de los planetas y el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Luego se mostraría un nivel nocional más racional donde se relacionan las representaciones graficas dadas del modelo atómico de Bohr con características específicas del electrón, como sus niveles de energía o las diferentes orbitas circulares que ocupa dicho electrón alrededor del núcleo. Sin embargo se muestra que el modelo de Bohr también se presenta por la importancia y gran influencia en sus estudios acerca del átomo de hidrogeno y que más tarde se le daría importancia debido a que si un electrón que está girando en la primera órbita alrededor del núcleo. Su órbita es de menor energía se le llamaría átomo hidrogenoide. Con lo anterior de describen conjuntamente los niveles nocionales que se presentan con el modelo atómico de Bohr y que están íntimamente relacionados con las publicaciones dadas por la comunidad científica y son divulgadas por una comunidad educativa dándole importancia a la ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 30 enseñanza y aprendizaje sobre la naturaleza y desarrollo del átomo a través de la historia caracterizándose como un momento de la evolución del pensamiento. 3.2 LA ENSEÑANZA DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR EN EL AULA La historia del átomo tiene orígenes muy antiguos, los que normalmente son mencionados en clases de física: el Modelo Atómico de Demócrito, el Modelo Atómico de Dalton, J.J Thomson, Rutherford, Bohr entre otros, sin contar modelos que inspiraron a otros para desarrollar uno más evolucionado, modelos que no están mencionados dentro de los libros de física y de química de bachillerato o tal vez universitarios. De esto se trata la presencia del modelo atómico en las clases de física como una temática netamente teórica, con representaciones graficas que el estudiante realiza en su cuaderno para dar explicaciónde la composición de la materia a nivel microscópico, representaciones dadas en un línea de tiempo causal y muy bien planeada que se observa aparentemente dentro de una bibliografía vastísima. Los modelos atómicos no dejan de estar presentes como conceptos dados dentro de lo que constituye la materia, el comportamiento de los gases, el desarrollo de la tabla periódica entre otros fenómenos naturales que constituye ostentosas investigaciones alrededor de los modelos atómicos dentro de lo que ha hecho toda una comunidad científica. En las actividades que se desarrollan en la enseñanza del modelo atómico en el aula de clase está la explicación teórica del modelo atómico de Dalton el cual está marcado por los inicios del desarrollo químico del siglo XIX. Las ideas de su teoría a aparecieron en sus trabajos, en 1808 y 1810 y pueden resumirse de la siguiente forma: Todos los elementos están constituidos por pequeñas partículas llamadas átomos Todos los átomos de un mismo elemento poseen propiedades idénticas, en particular su peso. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 31 Los átomos son las unidades de los cambios químicos, los cuales implican una combinación o una nueva distribución de átomos. Estos no se crean, destruyen o cambian. Cuando los átomos se combinan lo hacen en relaciones fijas de números enteros formando partículas compuestas llamadas moléculas. (Garcia Castañeda & Ewert De- Geus, 2006, pág. 91) Epistemológicamente se consideraría que son más los desarrollos y postulados que el científico Dalton se le atañe, no obstante la teoría de Dalton era errónea para varios aspectos, pero en gran parte ofreció conceptos nuevos e importantes para acrecentar el progreso de la química y la física. Contextualizado en el aula de clase los estudiantes terminan de organizar su conocimiento representando el átomo de Dalton como una esfera solida constituyente de la materia, esta relación se encuentra totalmente arraigada a su aprendizaje y señalando que para esta época el modelo de átomo presentaba una forma característica, esta representación es muy frecuente en los libros guía o por el docente. De esta manera se da paso al Modelo Atómico de J.J Thomson el cual se caracteriza por las mediciones que este hace con la relación carga y masa de estas partículas mostrando que no eran los átomos con carga eléctrica sino fragmentos presentes en todos los átomos. (Garcia Castañeda & Ewert De-Geus, 2006). Este modelo es muy particular ya que tomo la denotación del Pudín de pasas, denotación que quedo totalmente establecida en la comprensión de esta temática en los estudiantes en niveles de secundaria y universitarios. Esto se resume a la representación o modelo que tanto el docente como el estudiante tiene sobre todo un desarrollo teórico experimental que realizo J.J Thomson. La Figura 1. Observamos en la representación a. el esquema de átomo de Thomson, todas las pasas del pudín eran electrones incrustados dentro del átomo con carga positiva distribuida uniformemente y en la representación b. el comportamiento del campo eléctrico creado por un átomo de Thomson en función de la distancia. R es el radio de la esfera de la materia. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 32 Figura 1 Luego aparece el Modelo atómico de Rutherford y el Modelo Atómico de Niels Bohr, modelos causales que son necesariamente vistos en la enseñanza de la física en el aula de clase sin mayor transcendencia. Lo que se busca es dar cuenta, la manera en que los estudiantes conciben los diferentes modelos atómicos a partir de lo que el docente les aporta en la enseñanza. Los modelos atómicos dentro de la ciencia no son solo representaciones, el átomo es una manifestación dada de la materia, debido a esto cada uno de los científicos a quienes se les concierne un modelo de átomo pudieron experimentar y medir. Dentro de la enseñanza y aprendizaje, tanto el docente como el estudiante pueden dar cuenta del desarrollo de los diferentes modelos atómicos llevándolo a la experiencia, es decir las prácticas de laboratorio son indispensables para una mejor comprensión, por ejemplo los experimentos de electrólisis que desarrolló Michael Faraday en 1833 son una buena opción para presentarlos de manera contextualizada porque da cuenta la importancia de la electricidad y el comportamiento de este con los compuestos, la interacción y captura de electrones por los cationes en el cátodo y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo. 3.3 LA APARICIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR La estructura de los átomos es un área muy amplia dentro de la ciencia y dentro de la enseñanza, además de ser útil es interesante mostrar las características epistemológicas que traen consigo el desarrollo de tal área, además de constituir un buen marco para la enseñanza de habilidades de razonamiento científicos como modelo de construcción y hacer inferencia a partir de las observaciones. (McKagan, Perkins, & Wieman, 2008) ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 33 Con el objetivo de caracterizar el modelo atómico de Bohr y dar cuenta de la trascendencia dentro de la enseñanza de la física, no es posible negar la gran influencia e importancia que tuvieron los desarrollos experimentales y teóricos durante el siglo XIX y que se han nombrado para este capítulo con anterioridad. En el modelo atómico de Rutherford, en el que le avizora resultados fructíferos, tan fuerte que fue negado el modelo “pudin” de Thomson, pues, aplicando los métodos de la mecánica clásica, los cálculos de la distribución de equilibrio de un número cualquiera de electrones contenidos en el interior de un átomo y representados por la serie de las frecuencias de vibración características, no coinciden con las líneas espectrales observadas y de las que tenía información empírica, como son el caso de las series de Balmer. Pero había algo que no funcionaba en el Modelo de Rutherford a la luz de la teoría Electromagnética Clásica. Pues esta predecía que una carga acelerada emite radiación electromagnética, que sería el caso de los electrones que giran alrededor del núcleo; energía que se propagaría en todo el espacio reduciendo la del electrón en la proporción y acercándolo peligrosamente al núcleo en un lapso de más o menos un cien millonésimo de segundo. Una vez consumida toda la energía cinética, los electrones caerán sobre el núcleo, destruyendo así mismo el átomo. Para la figura 2. Se tiene esquemáticamente el modelo atómico de Rutherford, donde la figura 2a hace referencia el esquema de modelo de átomo y en la figura 2b el comportamiento del campo eléctrico creado por el núcleo atómico en función de la distancia. R es la distancia límite del átomo. Figura 2 ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 34 Bohr le dio crédito al modelo atómico de Rutherford y postulo que era necesario revisar las leyes físicas para el interior del átomo. Acude entonces a la hipótesis de Planck, que tan buen resultado había dado, para salvar las dificultades de la teoría clásica de la absorción y emisión de la luz por la materia. (Perea, 1985, pág. 14) Indudablemente el trabajo realizado por Niels Bohr tuvo un papel importante en el desarrollo de la física como ciencia. Historiadores y filósofos coinciden con claridad en la continuidad que Bohr sigue al modelo atómico de Rutherford. Los estudios de Bohr permitieron sentar bases para una nueva descripción cuántica de lamateria, mediante el análisis de la física atómica, científicos se motivaron en la elaboración de una nueva descripción de la teoría a nivel atómico, sobre todo porque ya no era considerada la mecánica newtoniana como elemento de investigación sino la mecánica no Newtoniana y el electromagnetismo. Niels Bohr tuvo una gran influencia en las obras de Heisenberg y Louis de Broglie, también las obras de Schrödinger por las ideas de la dualidad de la luz onda y partícula de Louis de Broglie (Caruso & Oguri, 2008). El modelo de átomo de Bohr realiza una descripción acerca de la continuidad que este científico sigue con el modelo atómico de Rutherford, además de utilizar la física clásica para describir la estructura atómica en términos de un modelo de partículas de manera sencilla y fácil de visualizar y al mismo tiempo, introduce aspectos cuánticos para una descripción adecuada de los aspectos atómicos que se tienen. Además presenta una incongruencia (como lo han presentado diferentes modelos atómicos anteriores) lógica al postular que los electrones en movimiento no emiten radiación, esto contradice la teoría electromagnética de Maxwell, pero al mismo tiempo la utiliza para plantear la condición de orbita estable. A pesar de estas fallas, fue un paso fundamental en la búsqueda de una teoría adecuada para describir la naturaleza de los átomos. (Garcia Castañeda & Ewert De-Geus, 2006) Para Bohr el principio de correspondencia es un gran argumento heurístico que ha jugado un papel importante en su teoría cuántica al exigir que los resultados clásicos deben seguir resultados cuánticos en el límite de los números cuánticos grandes. Sin embargo, existen contradicciones que han demostrado que la idea no es generalmente cierta desde el punto de vista epistemológico (Tanona, 2004). ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 35 El modelo atómico de Bohr es considerado el primer modelo en el que se habla de cuantización, en los postulados propuestos por el científico, Bohr basó sus estudios clásico cuánticos en el átomo de hidrogeno, en su modelo estableció bases para una descripción de la materia, capaz de explicar la estabilidad de estos y los espectros de emisión y absorción que se observa en los gases. Bohr en su documento “On the constitution of atoms and moléculas” seguía usando la mecánica newtoniana, revelando la inadecuada descripción de la física atómica del electromagnetismo clásico, cerrando las brechas entre el enfoque de un modelo empírico y la estructura de la materia hasta ese entonces desconocida, responsables de fenómenos, mediante la asociación de propiedades mecánico clásicas de espectros con propiedades atómicas de la materia. Bohr basó su modelo en estudios realizados por el científico Rutherford utilizando conceptos usados como la formación del átomo; el núcleo formado por protones y neutrones, el núcleo atómico y masa atómica entre otros, además de estudios hechos por Max Planck sobre la radiación electromagnética, es decir una onda con campos eléctricos y magnéticos, con frecuencias , longitud de onda y la relación entre estas dos donde es la velocidad de la luz, la frecuencia de esa luz determina su color aunque solo sea visible en una parte del espectro electromagnético. El efecto fotoeléctrico, es también un principio importante para el entendimiento del modelo atómico de Bohr, este habla de la radiación electromagnética de frecuencia suficiente, cuando choca contra una placa de metal, que sirve a la vez como electrodo negativo, en el interior de un tubo vacío, desprende electrones del metal que generan una corriente eléctrica. La intensidad de corriente crece con la intensidad de la radiación. Ahora bien, Bohr es reconoció en su modelo de átomo por haber descrito el átomo de hidrogeno con un protón en el núcleo y un electrón girando alrededor del núcleo, sin embargo, el electrón debía moverse en orbitas específicas, ya que al moverse de forma circular emitiría energía por lo que los electrones terminarían colapsando en el núcleo (Modelo atómico de ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 36 Rutherford), al moverse de forma específica cada orbita seria caracterizada por su nivel energético, cada orbita se identifica con el numero entero este número recibe el nombre de numero cuántico principal como se muestra en la figura 3. Figura 3 Para el año 1913 Bohr desarrollo de acuerdo a su modelo tres postulados fundamentales: 1. Primer postulado Existen obritas cuya energía y radios cumplen determinados relaciones que dependen del número cuántico El átomo no emite energía cuando el electrón se encuentra en alguna d ellas orbitas permitidas, ya que según el electromagnetismo clásico una carga con un movimiento acelerado en trayectoria circular debe emitir energía en forma de radiación. Así mismo, la interacción entre el electrón y el núcleo puede ser descrita por la fuerza electrostática de Coulomb por la presencia del núcleo, es el número atómico del átomo, es la carga del electrón, el radio de la órbita de acuerdo a la siguiente ecuación. [1] Segundo postulado Las únicas orbitas permitidas para un electrón son aquellas para las cuales el momento angular sea un múltiplo entero, este es un punto de vista bastante clásico, ya que el momento angular puede variar de forma continua, cualquier orbita es posible. ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 37 No habría razón en que el estado del radio tenga un valor en particular. Sin embargo, se tiene en cuenta la siguiente ecuación. [2] Se obtiene una clase de radio posible para cada orbita Dónde: [3] En este postulado, admitiendo órbitas circulares para el electrón en los estados estacionarios, el principio de correspondencia puede ser sustituido por la cuantización del postulado del momento angular, dando lugar a la cuantización de la energía y a la fórmula de Balmer. Por lo tanto, el impulso angular de cuantificación conduce a la cuantización de la energía en una transición atómica. (Caruso & Oguri, 2008) 2. Tercer postulado El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita a otra, cuando el electrón realiza el cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia entre ambas energías. La diferencia de energías se emite en forma de radiación electromagnética como se expresa en la siguiente ecuación donde es la energía emitida o absorbida por el fotón, es la frecuencia y es la constante de Planck. [4] Bohr consigue estudiar los saltos electrónicos entre niveles energéticos del átomo de hidrogeno, calculando la energía y el radio de las orbitas del electrón en el átomo de hidrogeno, además teniendo en cuenta que los que existen hay unas únicas orbitas permitidas para un electrón para las cuales el momento angular del electron sean múltiplos enteros. (ver segundo postulado, en esta misma página). En el modelo de átomo de Bohr es importante reconocer la cuantización espacial del momento angular del electrón en los niveles orbitales estudiados por el científico, el supone que ANÁLISIS DEL MODELO COMO REPRESENTACIÓN Y SU INCIDENCIA EN LA CONCEPCIÓN DEL MODELO ATÓMICO DE BOHR 38 un electrón – y
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