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Reflexiones en torno al concepto de energía. Implicaciones curriculares

Sevilla Segura, C.

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Sevilla Segura, C.

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OTROS TRABATOS REFLEXIONES EN TORNO AL CONCEPTO DE ENERGIA. IMPLICACIONES CURRICULARES SEVILLA SEGURA, C. IB ((Isabel de Villena)), Valencia SUMMARY A e an analysis o he di icul y o he ene gy concep , he pape p oposes a e iew o his subjec in he adi- ional way. in seconda y school cu icula, in a o o he inco po a ion o some The modynamics concep s. Wi - hou hese, he ene gy concep is limi ed and in his manne condi ions i s inco po a ion o he s uden 's cogni i e s uc u e by losing a la ge pa o i s explana o y powe . INTRODUCCION En es os momen os, en que la Re o ma de las Ense- ianzas Medias p omue en el análisis y la e lexión so- b e nues a an as eces u ina ia a ea, cob an ac ua- lidad en nues o país emas a los que desde ya hace al- gunos a ios dedican a ención ecuen e las publicacio- nes especializadas ex anje as. Uno de es os emas, que p obablemen e se e á po enciado, es el elacionado con la ene gía y su a amien o cu icula . ENSERANZA DE LAS CIENCIAS, 1986, 4 (3), 247-252 Es a e lexión iene mo i ada po dos ipos de azo- nes. Po una pa e, en los ac uales lib os de ex o se in oduce el concep o de ene gía de o ma incomple- a, pa cial, limi ándolo -sin ad e i lo- a alguno de sus signi icados, sin elación en e unas mani es acio- nes y o as, po ejemplo, ene gia en Mecánica y en Elee icidad. Po o a pa e, un ema, como el de la ene - gía, con ue es implicaciones económicas y epe cusie OTROS TRABAJOS nes en la ida co idiana p esen a peculia idades dis in- as a aquellos o os cuyo p ime con ac o se es ablece en la escuela y desa olla, po an o, ac i udes inicia- les en los alumnos dis in as. La plani icación del es u- dio escola de es os emas no puede pasa po al o es- o, y si se p e ende ealiza un a amien o igu oso se á necesa io cla i ica aquellos aspec os que en el uso ex- aescola puedan apa ece con usos e i ando agudi- za con adicciones en e la acepción co idiana del é - mino y la in e p e ación escola del mismo. El p oblema plan ea una doble e ien e, la in oduc- ción de los concep os ísicos elacionados con la ene - gía y la necesidad de oma en conside ación las impli- caciones de i adas de su epe cusión social. El alum- no empieza el es udio del ema de ene gía con bas an- es ideas o madas y con inquie udes, con necesidad de encon a espues as a cues iones elacionadas con aspec os de su ida, lo cual no sucede con la mayona de los o os emas es udiados. 1. ALGUNAS DIFICULTADES DEL CON- CEPTO DE ENERGIA La in oducción igu osa, cla a y gene al de cualquie concep o no suele se ácil, no malmen e. Si además .ese concep o es abs ac o como el de ene gía y se en- cuen a elacionado con o os concep os ambién abs- ac os y con di e sidad de signi icados, la si uación se complica, an o más si p e endemos ace ca nos a si- uaciones eales, que obligan a ene en cuen a la de- g adación de la ene gía, in oduciéndonos en la Te modinámica. El ema ecibe a ención ecuen e po pa e de dis in- os in es igado es en didác ica, po lo que in en a e- mos acili a el camino comen wdo algunas apo acio- nes signi ica i as. Desde el pun o de is a didác ico los es udios ela i os a los p oblemas de la ene gía se enma can en es g an- des líneas, elacionadas en e sí: - Concepciones que man ienen los alumnos, o ma- das p e iamen e al p oceso de ins ucción escola . In- oducción del concep o de ene gía. - La conse ación de la ene gía. P incipio de conse - ación. Deg adación de la ene gía. - Educación ene gé ica. En la línea suge ida po la p ime a co ien e se inse a un análisis de los concep os de ene gia de alumnos de 14 a 18 alios ealizado po Wa s (1983) que pone de mani ies o la dispa idad de nociones que e oca el é - mino de ene gía en los dis in os alumnos. Wa s p o- pone una clasi icación de espues as en sie e esquemas concep uales: 1) ene gía asociada a capacidades huma- nas; 2) ene gía como «depósi o» que se á o igen de ac- i idades; 3) la ene gía como ((ing edien e)), algo que no es á «almacenado» en un sis ema sino que apa ece al in e ac ua con él; 4) la ene gía como ac i idad, po ejemplo, el mo imien o es ene gía; 5) la ene gía como p oduc o de la ac i idad; 6) ene gia uncional, po ejemplo gasolina o cualquie o o ipo de combus ible; 7) la ene gía es un « luido» que se ans ie e de un sis- ema a o o. La c(de inición» de ene gía como capacidad pa a ea- liza abajo es ecuen emen e con es ada po consi- de a que es á limi ada al campo de la Mecánica y que en a en con adicción con las leyes de la Te modiná- mica. Pe o, además, esul a se con adic o ia con las mismas explicaciones p esun amen e cla i icado as que acompañan a la de inición. Asi, un cue po si uado a una al u a iene una cie a ene gía po encial (capaci- dad pa a ealiza abajo). Es a ene gía se a ans o - mando a medida que el cue po en su descenso gana e- locidad. Cuando el cue po llega al suelo la ene gia ci- né ica se con ie e en calo y sonido, con lo cual se con- se a la ene gía pe o no la capacidad pa a ealiza a- bajo (Hicks, 1983). Algunos au o es p oponen in oduci el concep o de ene gía en un con ex o adecuado, no es ingido a la Mecánica como suele hace se, elacionando siemp e el concep o de ene gía con la conse ación. De es a o - ma p e enden supe a algunas con usiones ecuen es en la men e del alumno con o os concep os elaciona- dos: abajo, po encia, ue za. Se sugie e ambién, de- dica más iempo a la deg adación de la ene gia que a la p opia conse ación (Dui , 1984). El análisis de la con adicción en e el p incipio de con- se ación de la ene gia, al como habi ualmen e se enuncia, y las leyes de la Te modinámica pueden da espues a a los p oblemas susci ados cuando el alum- no compa a lo ap endido en clase -la ene gía se conse a- con las no icias ela i as a la c isis ene gé- ica y ha le an ado oces a o ables a la inco po ación de la Te modinámica a los cu icula escola es, desde ni eles elemen ales, p oponiendo ealiza es udios cua- li a i os sencillos de la ene gía que omen como pun o de pa ida los p ocesos que suceden espon ánea nen- e, haciendo hincapié en que los p ocesos in e sos e- quie en del uso de disposi i os que consuman combus- ible, y po an o, que gas en ene gía (Habe -Schaim, 1983). Po lo que espec a a la educación ene gé ica, que ha- ce e e encia a odos los p oblemas elacionados con las dis in as uen es de ene gía, su u ilización, acio- nalización del consumo ene gé ico, e c., y sin ánimo de exhaus i idad, se p opo ciona una ese la bibliog á- ica de algunas de las publicaciones más ecien es, in- dica i a del ni el de in e és con que en o os países se es á abo dando el ema. Las conside aciones an e io es pe mi en enuncia al- gunas conclusiones: 1. La complejidad y iqueza del concep o de ene gia, asi como la imp ecisión come ida al de ini lo elacio- ENSEFIANZA DE LAS CIENCIAS OTROS TRABAJOS nado exclusi amen e con ans o maciones mecánicas. 2. La necesidad de p opo ciona un ma co concep ual su icien emen e amplio pa a inco po a el concep o de ene gía, de la que de i a la obliga o iedad de in odu- ci lo en di e sas si uaciones en las que se mani ies e de o mas dis in as. 3. Las posibilidades del p incipio de conse ación pa- a con ibui a la comp ensión del concep o de ene - gía, sabiendo en qué condiciones a ía, cuándo se ans- o ma pe o pe manece cons an e, e c. 4. Las posibilidades que o ece la inco po ación de los concep os ela i os a la c isis ene gé ica pa a mos a la capacidad explica i a del é mino ene gia aun cuan- do pa a ello sea necesa io in oduci algunos concep- os e modinámicos. 2. CUESTIONES A CONSIDERAR EN UNA PROPUESTA DIDACTICA Si omamos como indicado del a amien o que ma- yo i a iamen e se da en las aulas al ema de la ene gía, el con enido de los lib os de ex o en uso, podemos a i - ma que esponde básicamen e al esquema: abajo- po encia-ene gía-p incipio de conse ación, odo ello sin ningún ejemplo ex año a la Mecánica y po supues- o di e enciado de o o ema que es el de calo . Además, como los concep os pues os en juego son com- plejos, se adop a el camino más cómodo: simpli ica . Se p ocede a de ini los de una mane a concisa (y po an o limi ada), en muchas ocasiones median e una ecuación simplemen e,. Bajo una p esun a jus i icación didác ica, en es os plan- eamien os se igno a oda azón elacionada con el ap endizaje. No se iene en cuen a que los alumnos lle- gan al aula con ideas o madas que no cambia án á- cilmen e (Wa s, 1983; Dui , 1984; Bliss y Ogbo n, 1985). Se ol ida ambién, que la o mación de un nue- o concep o, su inco po ación a la es uc u a cognos- ci i a, es un la go p oceso que equie e una plani ica- ción minuciosa en la que se debe conside a an o la lógica in e na del con enido como la o ma de accede a él, y es o p esen a asgos dis in os según la edad del alumno, y su p opio desa ollo in elec ual (Fla ell, 1984; Piage , 1972). En ningún caso simpli ica un con- cep o con ibui á a su mejo comp ensión. Si la men e del alumno no ha alcanzado el g ado de desa ollo ade- cuado, el ap endizaje de ese concep o no se á posible y si el desa ollo es pe inen e lo di icul a á la des i - uación de la simpli icación del con enido. Lo más que pod emos log a en es os casos es una memo ización. No amos a p esen a un modelo didác ico elabo ado, sino algunas cues iones, que pueden ene in e és, de- i adas de los análisis an e io es y de una e lexión so- b e nues a p opia p ác ica docen e. La es uc u a lógica en la in oducción de los concep- os se podna a icula en o no a los siguien es ópicos: - Concep o de ene gia - P incipio de conse ación de la ene gía - La deg adación de la ene gía. Ap oximación al con- cep o de en opía - Algunos p oblemas ene gé icos. Fuen es de ene gía. En un p ime ni el, se ealiza p e iamen e una e isión de la enomenología del calo , sin ocupa se oda ía del concep o de calo ni del de empe a u a. 2.1. Concep o de ene gia Somos plenamen e conscien es de la complejidad del concep o de ene gía pe o ¿dónde eside es a compleji- dad? ¿qué concep o de ene gía debemos ense ia ? El é mino ene gía ha pasado a o ma pa e del ace o lingüís ico de uso ecuen e con lo cual lo encon amos en dis in os con ex os, con acepciones di e en es, cosa que no siemp e con ibuye a mejo a la comp ensión del mismo. Sin emba go ello in luye en el esquema con- cep ual que o ma el alumno y que hab á que conside- a a la ho a de ense iá selo en la clase de Fisica. Además, en un ámbi o es ic amen e ísico su signi i- cado es muy gene al. Apa ece en mani es aciones muy di e sas, asociadas a una amplia gama de enómenos (desplazamien os, elec icidad, eacciones químicas, a- diación. ..) y si bien conside ada globalmen e siemp e se conse a, en ocasiones se deg ada. El concep o de ene gía es uno de los más abs ac os de los es udiados en un cu nculo de Física y Quimica. Su de inición po educción a o os é minos más sen- cillos no es ácil ya que es á elacionada con concep- os igualmen e con lic i os y abs ac os. Todo ello ha- ce que es emos en e a un concep o de índole al que nos obligue a una in oducción dis in a a la an ecuen- e ((de inición ope a i a». Las ca ac e ís icas del concep o de ene gía obligan a abo da lo desde di e sas pe spec i as, eniendo en cuen a cuál es el pun o de pa ida concep ual de los alumnos e incluyendo el máximo núme o de si uacio- nes en las que se pueda pone de mani ies o su po en- cial explica i o. La inco po ación de un concep o a la' es uc u a cognosci i a es á elacionada con su capa- cidad pa a explica si uaciones, an o nue as como aquellas que ya p eocupan al alumno. Podemos pa i , po an o, de una ecopilación de ma- e ial, apo ado po los p opios alumnos, consis en e en ex os b e es en los que se haga e e encia a la ene - gía, ob enidos de la p ensa, ele isión, o in en ados po ellos mismos pe o que ecojan sus p opias ideas (posi- blemen e algunos eco da án la de inición da ene gía como capacidad pa a ealiza abajo, en es e caso, pe d emos pone de mani ies o que es a de inición no com- po a ningún concep o, sino que se epi e de o ma mi- mé ica). Es o pe mi i á ab i pe spec i as espec o a la ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS OTROS TRABAJOS gene alidad del é mino y po an o a la iqueza del con- ma adicional de iden i icación de la a iación de ene - cep o, a la ez que la imposibilidad de «comp imi lo» gía con el abajo ealizado pa a log a lo, que aho a en una de inición b e e y concisa. Algo pa ecido suce- los alumnos es án en condiciones de en ende . Tiene de con el concep o de iempo y en ninguno de los dos in e és comen a que, los alumnos ienden a con un- casos la di icul ad de de inición limi a su alidez. . di el alo de la ene gía de un sis ema en un ins an e In en emos ca ac e iza el concep o plan eando di e - sas si uaciones, aho a más (( ipicamen e ísicas)) (un cue po que cae, o o que se desplaza po una supe i- cie ho izon al y se pa a, un muelle que se es i a, una bombilla encendida, e c.,) pa a cues iona lo que su- cede a la ene gia en cada caso. Al inal pod emos lle- ga a la idea de que la ene gía es una ca ac e ís ica del sis ema, que iene un alo en cada ins an e y que se puede modi ica cuando el sis ema se an o ma. Podemos plan ea aho a el p oblema de e alua la can- idad de ene gía de que dispone un sis ema en un ins- an e y si uación y la o ma en que es a ene gía se pue- de ans e i . Es necesa io cla i ica é minos de uso ecuen e como: sis ema, ans o mación, es ado, p o- ceso, a los que se hace e e encia cons an e y que, sin emba go, suelen pe manece enmasca ados en muchas ocasiones. Los sis emas se ans o man po in e acción con o os sis emas. Siemp e hay un agen e dinámico de la ans- o mación y un cambio en la con igu ación del sis e- ma. La in e acción ( ue za) p oduce una modi icación de la disposición inicial del sis ema y la magni ud de la ans o mación se iden i ica con el abajo, cuya de- inición ope a i a se puede in oduci , asi como la idea de que es a de inición gene al es suscep ible de adap ación a dis in as si uaciones (comp esión de un gas, elec icidad.. .), pa a inclui magni udes isicas de uso más cómodo, adap adas a los da os más habi uales en cada sis ema. Pe o además, los sis emas pueden modi ica su ene - gía al in e ac ua con o o sis ema que es á a dis in a empe a u a. Así pues, la ene gía es una p opiedad del sis ema que se mani ies a de muchas o mas y que puede a ia po la in e ención del abajo y/o del calo . La discusión de algunos ejemplos, a ni el cuali a i o, en los que haya sis emas que ans o men su ene gía de una o ma en o a, que a ien su ene gia o al po la in e ención de abajo, calo , e c., pueden con i- bui a cla i ica los concep os. Así mismo se puede in- oduci la idea de po encia. 2.2. P o undizando en el es udio de las ans o - maciones Empezamos limi ando nues o es udio a las ans o - maciones que ya se han es udiado en emas an e io es: cambios de posición y de elocidad. Realizamos un aná- lisis, e e ido a un cue po, de cada una de ellas, in o- duciendo la ene gía ciné ica y po encial según el esque- y si uación con la a iación de ene gía y, en nues a opinión, es o es indica i o de que el concep o de ene - gía, unido al de la o ma de modi ica su alo , no es- án inco po ados a la es uc u a cognosci i a. La in- oducción de la ene gía po encial asociada a las ue - zas conse a i as no p esen a di icul ades especiales siemp e que los alumnos es én amilia izados con la ue za peso (conse a i a) y ozamien o (no con- se a i a). ¿Y si conside amos las dos ans o maciones simul á- neamen e? Al es udia la caída lib e, po ejemplo, po- demos deduci que los alo es de la ene gia ciné ica y po encial a ían en cada pun o, pe o su suma pe ma- nece cons an e, mien as que si conside amos un cue - po desplazándose po un plano inclinado bajo la ac- ción de una ue za aplicada (o bien conside amos el a- zonamien o) a ían los alo es de la ene gía ciné ica, po encial y de la suma de ambas, pe o la igualdad en- e a iación de ene gía y abajo ealizado se man iene. La gene alización de los esul ados an e io es nos pe - mi i á in oduci el p incipio de conse ación de la ene - gía, ma izando las dos si uaciones: sis emas ((conse - a i os)) y «no conse a i os». Es a nos ya en condiciones de ap oxima nos a o a nue- a si uación, aquella en la que el sis ema in e cambia calo . Has a aho a nos hemos e e ido a modi icacio- nes del sis ema que se de ec an mac oscópicamen e sin ocupa nos de lo que sucedía a ni el mic oscópico en el sis ema. Acep emos que el sis ema pe manece en e- poso en una de e minada posición, po an o que no a ía su ene gía po encial ni ciné ica espec o de un sis- ema de e e encia ex e io . Si suponemos que el sis e- ma es un ecipien e que con iene un gas, ácilmen e acep a emos que las moléculas del mismo se encuen- an en un es ado de agi ación pe manen e al que po- demos asocia una ene gía po encial y ciné ica. A la suma de es a ene gía ciné ica y po encial le denomina- emos ene gia in e na y se modi ica cuando el sis ema in e cambia calo . Se in oduce en es e pun o la in e - p e ación de la empe a u a y el calo a escala mic os- cópica. Pe o la ene gía in e na ambién puede a ia si se ealiza abajo. Es as conside aciones conducen al enunciado de la p ime a ley de la Te modinhica. Cabe aquí ambién, la in oducción del equi alen e me- cánico del calo . La in oducción del concep o de calo en es e con ex- o con ibuye a e adica la concepción e ónea, sus- en ada po un amplio núme o de alumnos, del calo como « luido», como algo que los cue pos ienen y pue- den aumen a o disminui según que «ganen» o «pie - dan» calo . l 250 ENSE~ANZA DE LAS CIENCIAS OTROSTRABAJOS 2.3. Ap oximación al concep o de en opia T as el análisis de algunos p ocesos espon áneos (ex- pansión de un gas, aumen o de empe a u a de un cue - po pues o en con ac o con o o inicialmen e a mayo empe a u a, concen ación-dilución de una disolución, deslizamien o de un bloque sob e una supe icie con ozamien o), con iene llama la a ención sob e el he- cho de que los p ocesos se p oducen de o ma espon- ánea siemp e en un sen ido y no en el con a io. Tan- o en sen ido di ec o como in e so los sis emas cum- plen la p ime a ley de la Te modinámica. ¿Po qué nun- ca obse amos el p oceso in e so? El p oceso en sen ido con a io implica ía una o de- nación en el mo imien o alea o io de las moléculas, sig- ni ica ía la con e sión de ene gía in e na en abajo. Tomando el ejemplo del .bloque que desliza, signi ica- ía que la ene gía empleada en aumen a la empe a- u a de la supe icie de con ac o al desliza (que es el p oceso al que nos e e imos), se ecupe a, de o ma que a medida que la supe icie alcanza su empe a u a inicial, el bloque se mue e en sen ido con a io, di i- giéndose a su posición p imi i a. E iden emen e es o no sucede en ealidad. La explicación implica la in o- ducción de una magni ud ca ac e ís ica del es ado del sis ema, denominada en opía, asociada al deso den del mismo y ca ac e izada po que en odos los p ocesos espon áneos la en opía del uni e so aumen a. La aso- ciación en e espon áneos y aumen o de en- opía es an sólida que muchas eces se dice que el aumen o de en opía indica el sen ido de la lecha del iempo. En es os p ocesos se conse a la ene gía, pe o el aumeIÍ- o de en opía que los acompa ia explica que no se es- ablezca espon áneamen e la si uación inicial y po an- o que no pueda ecupe a oda la ene gía. Pa e de la ene gía se «in ie e» en aumen a la en opía y es a pa e no es ecupe able, no se pod á u iliza pa a ea- liza abajo. COMENTARIO FINAL El esquema p opues o pe mi e el desa ollo de cu i- cula ci cula es, en los que se seleccionen los con eni- dos según su complejidad (po ejemplo, se puede in- oduci el concep o de en opía sólo en ni eles supe- io es), pe o el esquema concep ual, p opiamen e di- cho, se empieza a cons ui desde el p incipio, de o - ma que o os concep os se inco po en de mane a na- u al. De es e modo no se a o ece la pe sis encia de e o es concep uales (concep o de calo ) como sucede con o os plan eamien os. El abajo se comple a con la discusión de di e en es uen es de ene gía, el ni el de p o undidad que se desee, pudiendo incluso, eali- za una in e esan e ac i idad in e disciplina . La inco - po ación de p oblemas como el de la ene gía o ece la posibilidad de elaciona la escuela con la p oblemá i- ca co idiana de la sociedad en que i e el alumno. Se pod ía c i ica la in oducción de concep os e mo- dinámicos a gumen ando que és os son excesi amen e complicados pa a los alumnos de ense ianza media. El ni el de desa ollo de la es uc u a men al eque ido pa a accede a la comp ensión de es os concep os, o de la eo ía ciné ica-molecula no es supe io al nece- sa io pa a en ende los p incipios de New on (Shaye y Adey, 1984), cuya inco po ación al cu iculum no se cues iona. Co esponde al ni el ope acional o mal, que es el ni el que debe ía posee el alumno cuando menos al inal de la ense ianza media. La modi icación de es uc u a p opues a no signi ica en ealidad ampliación de ema io. Aunque el p oble- ma de la ex ensión del ema io sólo se esol e á, desde nues o pun o de is a, cuando se ealice una selección acional de con enidos desde la ense ianza básica has- a la Uni e sidad, conside ando no sólo la p opia 16- gica in e na de la Ciencia que se p e ende enseña , si- no el ni el de desa ollo in elec ual eque ido pa a su ap endizaje y el eal de los alumnos a los que se di ige. Ol ida cualquie a de es os aspec os conduci & una ez más, a la sensación de acaso que con demasiada e- cuencia acompaíia nues a a ea. REFERENCIAS BIBLIOCRAFICAS ANDERSON, C.E., BOTTINELLI, CH.A., 1981, Some - CANIPE, S.L., 1982, Typing in o compu e s, Pape p e- hing special o eache s. A school house ene gy eaching sen ed al he ene gy, en i onmen and economics eache p og am. SEED: Schoolhowe ene gy e iciency demos- wo kshop. (Geog aphic sou ce US, No Ca olina). a ion, (Tenneco, Inc., Hous on, Tex.). 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