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RESEARCH PRODUCT

Proposta per a l'ensenyament i aprenentatge de la física quàntica en 2n de batxillerat

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En esta tesis se abordan los siguientes problemas: ¿Qué dificultades tienen los estudiantes de física de 2º de bachillerato en la comprensión de los aspectos más básicos de la física cuántica?, ¿cuáles son las principales carencias de la enseñanza de la física cuántica que entorpecen la comprensión de estos estudiantes? y, por último,¿es posible diseñar una propuesta didáctica para la enseñanza de la física cuántica en el bachillerato que supere en un grado considerable las dificultades de aprendizaje del alumnado? Como posible solución al problema planteado se sugieren las siguientes hipótesis: La primera es que la introducción de los principales conceptos implicados en la enseñanza convencional de la física cuántica se hace sin tener en cuenta los resultados de la investigación didáctica sobre las dificultades del alumnado y los nuevos modelos de enseñanza aprendizaje, y esto hará que no se favorezca en los estudiantes de secundaria la comprensión de la física cuántica. La 2ª es que es posible superar estas dificultades del alumnado, mediante una propuesta para el tema de física cuántica de 2º de bachillerato que aproveche la investigación didáctica realizada al respecto y los nuevos modelos de aprendizaje. Esto hará que se mejore la comprensión de la cuántica. Los instrumentos diseñados para poner a prueba la primera hipótesis son: una red de análisis para los principales libros de texto de física de 2º de bachillerato utilizados (N=10); un cuestionario para alumnos de física de 2º de bachillerato (grupo control, N=78 de 7 grupos, lo que pone de manifiesto la dificultad de investigaciones didácticas en la asignatura de física en 2º de bachillerato, debido al reducido número de alumnos que la escoge) y cuestionarios para profesores en activo (N=34). Para poner a prueba la segunda hipótesis se ha diseñado una unidad didáctica para la enseñanza de la física cuántica que tenga en cuenta las dificultades del alumnado detectadas en la primera parte y los nuevos modelos de enseñanza aprendizaje de las ciencias. Esta unidad se ha utilizado por 2 profesores en 8 grupos durante 4 años, con un total de N=83, dedicándole unas 16 horas anuales y trabajando en pequeños grupos. Se ha evaluado el aprendizaje de la unidad didáctica por el alumnado mediante un cuestionario pre-post (el mismo que control) y entrevistas, pasándose el pre al finalizar el tema de ondas y el post al finalizar este tema, es decir, con más de un trimestre entre ellos. Así mismo, se ha evaluado la unidad didáctica por parte de profesorado en activo (n=36). Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que los libros y el profesorado, considerados globalmente, introducen los conceptos cuánticos inadecuadamente, y no favorecen el correcto aprendizaje de la física cuántica, sobre todo en términos de cambio ontológico, ya que no presentan los electrones, protones, neutrones, fotones, etc. como objetos de tipo nuevo, es decir, distintos de las partículas y ondas clásicas. A nivel epistemológico, algunos libros y docentes asocian la indeterminación de Heisenberg al proceso de medida. Por su parte, los estudiantes, como consecuencia de la enseñanza recibida, muestran carencias sobre todo en términos de cambio ontológico, en el sentido de que los estudiantes visualizan los electrones y los fotones según los modelos clásicos de partícula y onda, y no como objetos de tipo nuevo. A nivel epistemológico, un escaso porcentaje de alumnos (menos del 16%) entiende adecuadamente el significado de las relaciones de indeterminación de Heisenberg. Además, un porcentaje significativo (41%) de los estudiantes tiene la idea de que la física cuántica sólo es aplicable en el mundo microscópico, y muy pocos estudiantes (9%) son capaces de señalar dos diferencias correctas entre la física clásica y la cuántica, o de dar tres ejemplos de implicaciones tecnológicas de la cuántica (ninguno da ejemplos de implicaciones sociales). Los resultados de la intervención didáctica indican que ha funcionado bastante bien, tanto por lo que respecta al cambio ontológico, donde las ideas de electrón y de fotón han mejorado notablemente, como al cambio epistemológico, como lo demuestra el hecho de que las preguntas relacionadas con la indeterminación y su interpretación probabilista hayan elevado considerablemente el número de respuestas correctas. Por otro lado, muchos más alumnos han sido capaces de nombrar dos diferencias entre la física clásica y la cuántica (65%), así como de indicar tres implicaciones tecnológicas correctas (80%). Además, en las entrevistas, los estudiantes no solo han aclarado satisfactoriamente las dudas que quedaban de sus respuestas en la mayoría de los casos, sino que también han sido capaces de completar estas respuestas, de rectificar sus errores, o de encontrar mecanismos para recordar fenómenos y conceptos. Y todo ello gracias a las actividades desarrolladas a lo largo de la unidad didáctica. Las opiniones de los docentes van también en esta línea, ya que destacan que se trata de una unidad didáctica con coherencia en su estructura y que contribuye a aclarar las ideas del alumnado.También destacan el hecho de que presenta la física cuántica como una nueva física, que supera las limitaciones de la física clásica, y que surge fruto de una crisis en la física clásica debido precisamente a estas limitaciones. Por todo ello, buena parte del profesorado considera la propuesta bastante imprescindible para la enseñanza secundaria. This thesis addresses the following issues: What difficulties have physics students from 2nd year in understanding the fundamentals of quantum physics?, what are the main gaps in the teaching of quantum physics that hinder understanding of these students? and, finally, is it possible to design a methodological approach to the teaching of quantum physics in high school that exceeds to a considerable degree the difficulties of student learning? As a possible solution to the problem suggest the following hypothesis: The first is that the introduction of the main concepts involved in conventional teaching of quantum physics is done regardless of the results of educational research on the difficulties of students and new models of teaching and learning, and this will not be conducive to high school students understanding of quantum physics. The 2nd is that it is possible to overcome these difficulties the students, through a proposal for the issue of quantum physics that take 2nd year teaching and research about new models of learning. This will improve the understanding of quantum. The instruments designed to test the first hypothesis are: a network analysis for major textbooks 2nd high school physics used (N = 10); A questionnaire for students of 2nd year physics (control group, N = 78 7 groups, highlighting the difficulty of educational research in the subject of physics in 2nd year, due to the small number of students that choose it) and questionnaires for teachers in service (N = 34). To test the second hypothesis, it was designed a didactic unit for the teaching of quantum physics that takes into account the difficulties of the students identified in the first part and the new models of teaching and learning of science. This unit has been used for 2 teachers in 8 groups for 4 years, a total of N = 83, dedicating about 16 hours a year and working in small groups. We assessed learning teaching unit for pupils through a pre-post interviews questionnaire (same as control) and passing the pre at the end of the matter wave and the post at the end of this issue, that is, with more than one quarter each. Also, we evaluated the teaching unit by teachers in active (n = 36). The results obtained show that books and teachers, taken together, quantum concepts introduced improperly, and not conducive to proper learning of quantum physics, especially in terms of ontological change because they do not have electrons, protons, neutrons, photons, etc. as objects of new type, that is, other than classical particles and waves. At the epistemological level, some books and teaching associate the Heisenberg uncertainty to the measurement process. Meanwhile, students, following the teaching received, show deficiencies especially in terms of ontological change, in the sense that the students displayed electrons and photons as the classic models of particle and wave, and not objects new type. At the epistemological level, a small percentage of students (less than 16%) properly understand the meaning of the Heisenberg uncertainty relations. In addition, a significant percentage (41%) of the students have the idea that quantum physics is applicable only in the microscopic world, and very few students (9%) are able to point two correct differences between classical and quantum physics or to give three examples of technological implications of quantum (none gives examples of social implications). The results indicate that the educational intervention has worked quite well, both as regards the ontological change, where the ideas of electron and photon have improved significantly, and the epistemological change, as evidenced by the fact that the questions related to indeterminacy and the probabilistic interpretation have considerably raised the number of correct answers. On the other hand, many more students have been able to name two differences between classical and quantum physics (65%) and indicate three correct technological implications (80%). Moreover, in interviews, students not only have successfully cleared the doubts that remained of their responses in most cases, they have also been able to complete these responses, to rectify their mistakes, or find ways to remember phenomena and concepts. And all thanks to the activities carried out throughout the teaching unit. The opinions of teachers are also on this line, and emphasizing that this is a teaching unit with consistency in structure and that helps clarify student's ideas.Also, they highlight the fact that quantum physics is showed as a new physics, which overcomes the limitations of classical physics, and that comes from a crisis in classical physics precisely because of these limitations. Therefore, much of the faculty considered this proposal quite essential for secondary education .