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Título de Acceso Abierto

El papel de la actividad experimental en el desarrollo de tópicos de Física Contemporánea: Estrategia de aula para la comprensión del fenómeno de la superconductividad

Yuly Andrea Gualtero Martínez Sergio Juan Sciutto

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Resumen/Descripción – provisto por el repositorio digital

En esta Tesis se presentan los resultados finales de una investigación realizada alrededor de la enseñanza de la superconductividad, vista como un tópico de la física contemporánea. Esta investigación se enmarca en un enfoque pedagógico conocido como Enseñanza para la Comprensión, el cual muestra la enseñanza como un método innovador que puede generar que los estudiantes flexibilicen el conocimiento y puedan dar cuenta de él de formas creativas, sin dejar de lado la formalidad de los temas estudiados. Este trabajo se divide en seis capítulos. En ellos se presentan los fundamentos teóricos del fenómeno de superconductividad y del enfoque pedagógico, junto con la descripción de la puesta en práctica de la estrategia de aula alrededor de este tema de Física Contemporánea. El capítulo 1 contiene una introducción a todo lo abordado en esta Tesis, en la que se incluye una contextualización de la enseñanza de la física en las instituciones educativas colombianas de educación básica y media. Además, se presentan las razones por las cuales se eligió, en primer lugar, el fenómeno de la superconductividad como tópico de la física contemporánea para abordar en el aula de clase; en segundo lugar, el enfoque de Enseñanza para la Comprensión para dar cuenta de la facilidad para estudiantes en entender los conceptos implícitos en el fenómeno estudiado; y en tercer lugar, la realización de actividades experimentales para acercar a los estudiantes a la comprensión de la superconductividad. Además, se muestran los objetivos que se plantearon al inicio de la investigación, en los cuales se hacen evidentes las metas trazadas en todo el proceso. Finalmente, se hace una descripción general de la estrategia que se llevó a cabo en la implementación y su evaluación. En el capítulo 2, se presentan los conceptos de física que son necesarios para entender el fenómeno de la superconductividad, los que se explican en detalle acompañados por los desarrollos científicos que se dieron a partir del descubrimiento del fenómeno, de la siguiente manera: 1. Se inicia con una visión clásica electromagnética de la superconductividad en la cual se comparan los materiales superconductores con los conductores, a partir de las ecuaciones del electromagnetismo. 2. Se presenta el concepto de magnetización, el cual es fundamental para entender el comportamiento de los campos magnéticos en medios superconductores. 3. Se realiza una descripción del Efecto Meissner-Ochsenfeld que da cuenta de la exclusión del campo magnético en el interior del material superconductor. Además, se presentan las diferencias entre los superconductores tipo I y II enfatizando que en el tipo I se presenta un efecto Meissner-Ochsenfeld completo, mientras que en el tipo II se presenta un estado mixto con dos campos magnéticos críticos. 4. Se encuentra la ecuación de London, desde la cual se puede deducir el efecto Meissner para los superconductores. Adicionalmente, se presentan las longitudes características de los materiales superconductores: la longitud de penetración, la longitud de coherencia y el camino libre medio de los electrones en estado normal. 5. Se hace una descripción de la teoría BCS, que explica el acoplamiento de los electrones a través de los fonones que permite la formación de pares de Cooper. Así mismo, se resalta la relación de esta teoría con los aspectos mencionados en los numerales anteriores, enfatizando la importancia de la superconductividad en relación con las bandas de energía. 6. Se mencionan los aspectos relacionados con la cuantización de flujo y las corrientes persistentes en los superconductores, se relaciona con el cuanto de flujo magnético que origina el estado vórtice el cual caracteriza a los superconductores tipo II y con la creación de campos magnéticos intensos. 7. Se describe el efecto Josephson, que da cuenta de cómo los pares de Cooper, a partir del efecto túnel, son capaces de atravesar un material aislante delgado (llamado la unión de Josephson ) de un superconductor a otro, considerando la ecuación de onda de cada uno de los pares pertenecientes a cada superconductor. Así mismo, se presenta la diferencia de la unión de Josephson cuando ésta es expuesta a un potencial determinado dando paso al efecto de corriente continua y de corriente alterna. 8. Se describen las características generales de los superconductores de alta temperatura, mencionando algunas diferencias con respecto a la teoría que describe a los superconductores convencionales tipo I y II. 9. Finalmente, se presentan algunas aplicaciones de los materiales superconductores en la actualidad, dando cuenta de la relación de un tema de física con el avance tecnológico que se ha podido desarrollar en diferentes áreas del conocimiento. En el capítulo 3, se presentan los aspectos generales del marco pedagógico que se implementó para llevar a cabo la propuesta de investigación: el enfoque de Enseñanza para la Comprensión. En este, se realiza una descripción detallada de los pilares sobre los cuales se enmarca la propuesta, dando cuenta de las características específicas de los tópicos generativos, entendidos como los temas que se abordan en la implementación; metas de comprensión, como los alcances que se logran con la ejecución de la puesta en práctica de la propuesta; desempeños de comprensión, como las actividades puntuales que desarrollan los estudiantes sobre las cuales se evalúa la comprensión; y la evaluación diagnóstica continua, que contiene las dimensiones y los niveles de comprensión, que sirven como base para clasificar a los estudiantes, de acuerdo con la comprensión que van adquiriendo de los temas que hacen parte de la implementación en el aula. Estas dimensiones son: contenidos, que se centra en el aspecto disciplinar abordado en las clases; métodos, que da cuenta de las actividades realizadas por los estudiantes que generan comprensión; propósitos, que ponen en evidencia el sentido investigativo de las actividades puestas en práctica por los estudiantes; y finalmente la dimensión de formas de comunicación, que permite evaluar, a partir de la expresión oral y escrita, la comprensión de los estudiantes alrededor de los temas abordados. En el capítulo 4, se presenta el diseño del plan de acción, el cual inicia con una caracterización de la población que se escogió para el desarrollo de la investigación y continúa con el diseño del plan de acción que se lleva a cabo en el aula con los estudiantes, enmarcado en el enfoque de la Enseñanza para la Comprensión. Igualmente, se describen los 10 planes de clase que se implementan con los estudiantes en el colegio. En el capítulo 5, se describen los resultados obtenidos a partir de cada una de las clases, la sistematización de la evaluación de acuerdo con las dimensiones de la evaluación diagnóstica continua descritas en el capítulo 3 y el análisis de los niveles de comprensión de los estudiantes en cada una de las clases realizadas, teniendo en cuenta los criterios de evaluación estipulados en el capítulo 4. En el capítulo 6, se presentan las consideraciones finales del trabajo, que incluye a modo de conclusión, el impacto de la estrategia de aula para los estudiantes que la desarrollaron, el impacto de la investigación para la docente que ejecutó la estrategia de aula y las perspectivas para el futuro que deja este trabajo de investigación, las cuales mencionan la importancia del método empleado en la estrategia, para la enseñanza de la física contemporánea y la posibilidad de compartir esta experiencia con profesores que quieran innovar en su práctica docente. El cuerpo principal de esta Tesis finaliza con las conclusiones generales. A continuación de estas se incluyen las referencias bibliográficas empleadas en la investigación. Entre ellas se pueden encontrar los documentos de consulta para la escritura del capítulo 2 que hace alusión a la física de la superconductividad, los documentos relacionados con el enfoque de enseñanza para la comprensión y los documentos, enlaces y páginas de internet, que ayudaron en la creación de los planes de clase que se implementaron en el aula. Por último, se presentan los anexos. Estos incluyen: las guías que se realizaron para abordar los fenómenos de electricidad y magnetismo las cuales fueron adaptadas de Reyes, C., Salcedo, A., & Carrillo, F. (2000) y que se llevaron a cabo con los estudiantes; una de las lecturas que se empleó en la clase cuyo tópico generativo hacía alusión a los pares de Cooper; tres actividades finales presentadas por tres grupos de trabajo sobre las cuales se realizó la evaluación diagnóstica continua de la última clase de implementación; y finalmente una evaluación de la estrategia que respondieron los estudiantes en relación con su percepción sobre la implementación en el aula.