Simulando los estados de agregación y sus transformaciones

Propuesta didáctica

Simulando los estados de agregación y sus transformaciones

Autor: Calvo, Roberto. (Incorporando aportes de Trish Loeblein - PhET Interactive Simulations)

Tiempo de aplicación: 2 horas de clase.

Descripción: Uso de un simulador para el estudio cualitativo y cuantitativo de los estados de agregación de la materia y sus transformaciones. Una aproximación desde el modelo partícula-vacío.

Propósitos: La incorporación del modelo partícula-vacío es un proceso laborioso. La concepción atomista de la materia sólo se impuso cuando sus explicaciones y predicciones demostraron su congruencia con la evidencia experimental. El software de simulación "Estados de la materia" permite poner a prueba los postulados de este modelo a través de la visualización de los eventos submicroscópicos vinculados al estado de agregación de un material y las transformaciones que sufre al modificar las variables P, V y T.

Más allá de los contenidos conceptuales, la actividad permite introducir un tema tradicional de los cursos de Química y Ciencias Físicas mediante la simulación asistida por ordenador, una modalidad novedosa y cada vez más relevante en la construcción del conocimiento. Contribuye así a familiarizar a los estudiantes con el uso de herramientas informáticas que potencian y complementan a las modalidades tradicionales.
El simulador desarrollado por la Universidad de Boulder (Colorado) incluye tres opciones: "Estado", “Cambios de fase” e "Interacciones"; la presente propuesta hace énfasis en la primera opción. Ésta presenta una interfaz gráfica atractiva e intuitiva a la vez que altamente interactiva. Permite el diseño de actividades de aula o domiciliarias adecuadas para los cursos de Ciencias Físicas y Química de la enseñanza media, tanto básica como superior.

Criterios de evaluación: Las diversidad de opciones de implementación abre un amplio abanico de posibilidades en lo que respecta a la evaluación. El docente responsable definirá en cada caso cuáles se ajustan mejor a los objetivos que se ha trazado.

Contenido:

• Modelo partícula-vacío
• Estados de agregación
• Cambios de estado
• Diagrama de fases
• Fuerzas interpartícula

Actividades:

Por sus características, el uso del software puede contribuir a la adquisición y el fortalecimiento de conceptos a través de la exploración de sus herramientas. El diseño por parte del docente de actividades específicas acordes al nivel del curso, puede ser facilitado por la lectura de los anexos: "Sugerencias para los profesores" y "Objetivos de aprendizaje, preguntas-guía y tareas adicionales". Las cuestiones planteadas en el segundo anexo pueden resultar útiles en la elaboración de una hoja de trabajo ajustada a los objetivos planteados.

Habida cuenta de la necesaria "espiralización" del proceso de adquisición de una descripción cada vez más acabada del universo material y de la también necesaria recurrencia de la revisión de los conceptos fundamentales, se ha preferido no entregar en la presente propuesta, una hoja de trabajo rígida diseñada para un nivel determinado.

El orden en el que aparecen las "pestañas" del simulador resulta apropiado para una aproximación según un grado creciente de dificultad. 

• Sólido, líquido, gas

La primera pestaña permite visualizar la estructura de neón, argón, dioxígeno y agua en los estados sólido (inicial por defecto), líquido y gaseoso, y apreciar los cambios que ésta sufre cuando se modifica la temperatura. Esta primera simulación es la que aporta los conceptos fundamentales requeridos para la interpretación de los estados de la materia y los cambios de fase de acuerdo al modelo partícula vacío. Por la misma razón, es la más apropiada para el tratamiento del tema en cursos de nivel básico en los que la descripción cualitativa debe ser priorizada.

• Cambios de fase

Activando esta pestaña es posible incorporar modificaciones a las variables P, T, V y n por separado (trabajando con las mismas sustancias). La relación entre dichas variables resulta evidente cuando el simulador reproduce en forma realista los efectos del cambio de una de ellas sobre las restantes. Para un análisis teórico más profundo, se visualiza en pantalla un diagrama de fases que indica en tiempo real el estado del sistema.

• Potencial de interacción

Finalmente puede estudiarse la variación de la energía potencial de un sistema formado por dos átomos idénticos según la distancia entre los mismos. Si se desea simular la interacción entre átomos diferentes deberá reiniciarse el simulador y seleccionar al comienzo la opción "Atracción ajustable".

Se anexa la sección "Pautas para crear actividades guiadas para simulaciones PhET". El mismo -más allá de la especificidad que se deduce de su título- presenta una serie de principios pedagógicos generales muy atendibles a la hora de diseñar cualquier tipo de intervención educativa en el área de las ciencias naturales.

Sitios sugeridos:

• Para una introducción a los conceptos fundamentales: Iniciación interactiva al estudio de la materia sitio premiado por el CNICE.

Créditos:

• University of Colorado Boulder (2017). Estados de la materia. Colorado, E.U.: PhET. Recuperado de: https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter/latest/states-of-matter_es.html

 Anexos:

1. Sugerencias para los profesores

• En la primera pestaña (Estado), mientras se pasa de una sustancia a otra, se observa la misma fase (sólido) con un ajuste automático de la temperatura. De esta forma puede compararse fácilmente el comportamiento de los diferentes sólidos de tales sustancias.
• La segunda pestaña (Cambios de fase) nos permite visualizar el comportamiento de las mismas sustancias, pero en este caso se observa la coexistencia de las fases (inicialmente líquido-gas). Un diagrama de fases indica las mismas coordenadas iniciales de presión y temperatura para todas las sustancias.
• La opción “Interacción” fue concebida para ayudar a los estudiantes a adquirir una idea cualitativa sobre cómo inciden las fuerzas de atracción entre las partículas (átomos o moléculas) del material en el estado de agregación que éste presenta. Los cambios introducidos no producen efectos instantáneos, por lo que debe esperarse unos segundos para que la simulación los procese y permita visualizarlos.
• La simulación puede detenerse con el botón de pausa y luego reiniciarse o hacer un avance cuadro a cuadro con el fin de realizar un análisis incremental.
• En la segunda pestaña, el émbolo puede desplazarse hacia arriba o hacia abajo colocando el cursor sobre el “dedo” o la agarradera.
• Si se desea “calentar” o refrigerar el sistema prescindiendo del mouse debe hacerse clic sobre el control deslizable de temperatura y fijarlo con el teclado, mediante las teclas de desplazamiento arriba-abajo.

Importante

• Los ejes del diagrama de fases carecen de escala. La idea fue aportar a los estudiantes una idea general acerca de lo que se representa en dichos diagramas.
• En el caso del agua sólida, se busca mostrar que existe espacio entre las moléculas. Una correcta representación de la estructura del sólido requeriría de una visualización 3D; sin embargo se logra una aproximación cualitativa con la representación 2D de la simulación.

Los estudiantes ante el simulador

• Explorando esta simulación los estudiantes pueden adquirir conceptos básicos sobre los estados de la materia, tanto macroscópicos como vinculados al modelo partícula-vacío. Ideas avanzadas y desarrollos matemáticos como los requeridos para explicar el comportamiento de los gases requerirán de la guía del docente.

Basado en el original de Trish Loeblein y Noah Podolefsky. Traducción y adecuación: Roberto Calvo

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2. Objetivos de aprendizaje, preguntas-guía y tareas adicionales

A modo de sugerencia, se proponen preguntas que pueden resultar útiles en el diseño y orientación de la actividad por parte del docente para alcanzar los objetivos de aprendizaje de la misma. La versatilidad del software permite su aprovechamiento en cursos de muy diferente nivel. Las presentes sugerencias tienden a maximizar su potencial en el desarrollo de los conceptos más elaborados, asequibles para estudiantes de la enseñanza media avanzada. El docente podrá ajustar la propuesta para el ciclo básico omitiendo el tratamiento riguroso de éstos y haciendo mayor énfasis en los aspectos descriptivos y cualitativos.

Los estudiantes deberán ser capaces de:

a) Identificar y describir el comportamiento de una partícula, un conjunto numeroso de éstas y su relación con el estado de agregación del material que integra.

1- ¿Cuáles son las diferencias y similitudes que se advierten cuando interactúan partículas monoatómicas, biatómicas y poliatómicas?

2- ¿Cómo puede medirse la presión de vapor de un líquido?

3- ¿Cómo puede generarse un cambio de estado modificando la presión y la temperatura del sistema?

4- Dado un punto en un diagrama de fases, ¿cuál es el estado de agregación del sistema y cuál el comportamiento de las partículas que lo constituyen? (y viceversa).

b) Explicar qué relación guarda el comportamiento del sistema con las fuerzas que actúan en el vacío entre las partículas que lo constituyen.

1- ¿A qué se deben las diferencias en la magnitud de las fuerzas que vinculan a diferentes partículas?

2- ¿Cómo interactúan comparativamente las moléculas polares y las no polares? ¿Qué efecto tienen tales interacciones en la fase observada dadas ciertas condiciones de presión y temperatura?

3- ¿Qué cambios se observan en el diagrama de fases cuando se incrementa la fuerza de interacción entre las partículas del sistema? ¿Qué sucede con la presión de vapor de la sustancia? ¿Qué sucede con las temperaturas de transición de fase?

Observaciones

Los objetivos agrupados en (a) pueden alcanzarse a través del diseño de actividades en las que el estudiante interactúa en forma directa con el simulador. Por su parte, los de la sección (b) requerirán del apoyo de otras fuentes de información, ya sea el libro de texto, sitios web, etc. Con el auxilio de éstas los estudiantes deberían ser capaces de:

I – definir fuerzas de London y fuerzas dipolo-dipolo,

II – explicar cuáles son más intensas y por qué,

III – describir qué factores pueden modificar la intensidad de cada una de esas interacciones,

IV – aplicar lo anterior a la interpretación del comportamiento de las sustancias: Ne, Ar, O₂ y H₂O (presentes en el menú del simulador).

De acuerdo al desempeño de los estudiantes en lo que refiere a su capacidad interpretar y explicar los fenómenos simulados, sería interesante plantearles el diseño de un experimento que permita responder a la cuestión planteada en b-7.

Basado en el original de Trish Loeblein y Noah Podolefsky. Traducción y adecuación: Roberto Calvo

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3. Pautas para crear actividades guiadas para simulaciones PhET

Las simulaciones PhET han sido específicamente diseñadas y puestas a prueba para dar apoyo al estudiante en sus procesos de aprendizaje. Así, lo que los estudiantes hagan con las simulaciones es tanto o más importante que las simulaciones en sí mismas. Éstas pueden utilizarse de diversas maneras, pero creemos que resultan más efectivas si se las integra en actividades guiadas en las que se alienta al estudiante a construir su propio conocimiento. Por ello sugerimos:

a- Defina claramente los objetivos de aprendizaje

Los objetivos de la actividad deben ser específicos y mensurables. Muchas de las simulaciones son complejas y los estudiantes pueden sentirse desbordados por la cantidad abrumadora de comandos desplegados en la pantalla. La lección o actividad debe alinearse con los objetivos predefinidos.

b- Estimule en sus estudiantes el uso del razonamiento y el sentido común

La actividad debe conducir a los estudiantes a operar en “modo aprendizaje” y no en “modo desempeño”. ¿Qué pueden descubrir sobre un fenómeno determinado? ¿Qué conexiones son capaces de encontrar? ¿Tienen éstas sentido? ¿Son capaces de explicar a otros lo que han descubierto?

c- Conecte con y construya sobre los conocimientos previos de los estudiantes

Plantee preguntas que obliguen a vincular ideas. Guíe a los estudiantes hacia la confirmación de sus ideas mediante el uso de simulaciones o a confrontarlas y corregirlas. Ofrézcales formas, caminos para comprender y resolver las posibles contradicciones.

d- Vincule los nuevos conocimientos con la experiencia cotidiana del estudiante

Los jóvenes aprenden más y mejor cuando advierten que el conocimiento a adquirir es relevante en su vida diaria. Las simulaciones emplean imágenes de la vida cotidiana pero el diseño de las actividades debe –siempre que sea posible- hacer referencia explícita a esa cotidianeidad. Cuando escriba las preguntas guía piense siempre en sus intereses, género, contexto sociocultural, etc.

e- Diseñe actividades colaborativas

Las simulaciones proporcionan a los estudiantes un lenguaje común para la construcción colectiva de conocimiento. Más y mejores aprendizajes tendrán lugar cuando éstos intercambien ideas y reflexionen sobre las mismas en conjunto.

f- Proporcione un mínimo de directivas para el uso de las simulaciones

Las simulaciones están diseñadas para estimular a los estudiantes y llevarlos a encontrar sentido en lo que hacen. Un exceso de pautas para su uso puede suprimir la actividad pensante.

g- Pídales que manifiesten sus razonamientos y hallazgos en formas variadas

Las simulaciones están diseñadas para que los estudiantes desarrollen y pongan a prueba sus concepciones sobre las cosas. Las lecciones son más efectivas cuando los estudiantes deben expresar los conocimientos adquiridos en formas variadas: palabras, diagramas, etc.

h- Ayude a los estudiantes a monitorear su comprensión

Deles la oportunidad de poner a prueba su propio entendimiento. Pídales que predigan fenómenos basados en lo que han comprendido y que prueben la validez de dichas predicciones mediante las simulaciones.

Fuente: Physics Education Technology Project (Perkins/Loeblein/Harlow). Traducción y adecuación: Roberto Calvo / Uruguay Educa