Por Hugo Medina Guzmán
La Ciencia y la Tecnología han dado al hombre la capacidad de comprender y controlar su ambiente natural y social de tal manera que de su uso dependerá el bienestar, la supervivencia o la destrucción de la humanidad.
La Conferencia Mundial de las Naciones Unidas (1978) y la Conferencia Mundial sobre ciencia y tecnología (Viena 1979) recomendaron que los países en desarrollo deben fortalecer su capacidad para tomar decisiones en relación con la Ciencia y la Tecnología pues sólo así podrían aplicarlas a su propio crecimiento. Esto se podría lograr cuando una gran proporción de la Ciudadanía sea científicamente culta. Este concepto implica lo que deberíamos conocer, comprender, aplicar, apreciar y valorar de la Ciencia y Tecnología.
Una enseñanza puramente teórica y academista, orientada a memorizar hechos conocidos, no permite formar personas familiarizadas con el quehacer científico, el cual está básicamente dirigido hacia la exploración de lo desconocido. Es aquí donde el experimento, puente entre la mente y la realidad, juega un papel esencial. De su realización depende que el aprendizaje se base en experiencias significativas y que se alcancen los objetivos planteados.
El experimento forma parte de la estrategia natural del aprendizaje, inclusive lo utilizamos instintivamente desde que nacemos. Lo hemos utilizado para aprender la mayor parte de cuanto sabemos incluyendo el comer y el caminar.
LA CALIDAD DE LA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS Y LOS EXPERIMENTOS
Para muchos administradores de la educación estos dos conceptos están indisolublemente asociados, al menos en teoría. ¿Qué Director frente a una visita importante se abstendría de mostrar con orgullo el laboratorio cuando lo tiene o de presentar excusas si no lo tiene? ¿No es verdad que ya sea por malas o por buenas razones, un gran número de docentes considera que el enfoque moderno de la enseñanza de los cursos debe incluir experimentos?
Esta asociación entre la calidad de la enseñanza y experimentos está bien establecida en la mente de muchos docentes y explica el entusiasmo con que reciben ideas y metodologías que les permiten incorporar los tan deseados experimentos en sus clases.
La realidad es que la mayor parte continúa enseñando las ciencias de manera exclusivamente oral, es decir, sin experimentos.
En la Pontificia Universidad Católica del Perú la enseñanza de Física General en su facultad de Ingeniería - ahora Facultad de Ciencias e Ingeniería - se ha realizado desde sus inicios con experimentos como se puede comprobar visitando los archivos y por la existencia de algunos aparatos antiguos que nos indican que hubo mucho interés en la experimentación.
En 1966 se crea el Departamento de Ciencias dándose así un gran paso en el desarrollo de la Ciencia y Tecnología. Con la presencia del Ingeniero José Castro Mendivil - amante de la Física Experimental y sobre todo muy hábil en la creación de equipos - se inculcó este espíritu entre nosotros, de tal manera que a partir de entonces se diseñaron y construyeron equipos para las prácticas de laboratorio. Esta política además de proporcionarnos la facilidad de construir equipos diseñados por nosotros para las prácticas de laboratorio, nos da la ventaja de realizar cambios y sobretodo poder repararlos cuando surge una avería o desperfecto.
EVOLUCIÓN DE LOS EQUIPOS PARA FÍSICA EXPERIMENTAL
Como una forma didáctica para una mejor comprensión de nuestro enfoque vamos a mostrar el uso de equipos para la realización de un experimento. Tomaremos como ejemplo el movimiento armónico simple.
1.- La forma mas simple de realizar el experimento es con un péndulo formado por una cuerda y una masa pequeña atada a un extremo, a la cual se suspende del otro extremo, se le saca del equilibrio y se le suelta, produciéndose en esta forma oscilaciones. La frecuencia se mide por medio de un cronómetro, variando las masas y la longitud de la cuerda se puede comprobar que la frecuencia es independiente de la masa y que varía de forma directamente proporcional a la raíz cuadrada de la longitud. Este experimento también nos permite calcular la aceleración de la gravedad.
2.- Otra forma consiste en suspender verticalmente un resorte con una masa en el extremo inferior de tal manera que bajo la acción de un impulso pueda oscilar libremente, la frecuencia podemos medirla como en el caso anterior. Si queremos conocer más colocamos un plumón de escritura fina en la masa de tal manera que produzca marcas perpendiculares a la oscilación y haciendo pasar con velocidad constante una hoja de papel ubicada paralela al resorte, obtendremos un grafico del desplazamiento versus el tiempo, de este modo habremos realizado una observación cualitativa del tipo de movimiento.
3.- Realizando un montaje un poco más complicado, debido a los soportes necesarios para dar rigidez al sistema se obtiene un péndulo de masa pesada y gran longitud. Usando un registrador de tiempo, que es una especie de timbre eléctrico que da golpes con una frecuencia conocida y marca puntos a intervalos de tiempo fijos en una cinta de papel sujeta a la masa, obtenemos un registro del movimiento de un semiperíodo de la oscilación del péndulo. Con estos datos podremos realizar los gráficos del desplazamiento tiempo y también los de velocidad- tiempo y aceleración - tiempo.
Este experimento también se puede realizar usando chispa eléctrica para el registro de tiempo, con la ventaja de tener un rozamiento mucho menor en el contacto con la cinta de papel.
Un registro parecido puede obtenerse mediante la fotografía estroboscópica, pero requiere de un ambiente que no permitiría que la experiencia se haga con varios grupos simultáneamente.
EXPERIMENTOS EN TIEMPO REAL
Estos consisten en el uso innovador de una nueva tecnología para la educación que permite a los estudiantes aprender los conceptos físicos en el laboratorio y en las clases. El aprendizaje en el laboratorio es asistido por herramientas de medición en tiempo real. El estudiante recibe retroalimentación inmediata en su aprendizaje porque la herramienta produce gráficos de las mediciones que ha realizado. Estas herramientas de medición consisten básicamente en el uso de microcomputadoras con el hardware y software adecuados.
Volviendo a nuestro experimento del movimiento armónico simple, lo podemos realizar de varias maneras, tales como:
a) Con fotocelda.
Una fotocelda recibe señales cuando hay continuidad y no cuando se interfiere el camino con un objeto. Con la ayuda de una regleta transparente con franjas negras igualmente espaciadas obtendremos un registro de los tiempos para espacios iguales.
Con este sistema se puede realizar el montaje del experimento de dos maneras
- Montaje vertical: consiste en agregar al resorte y a la masa la regleta de tal manera que ésta realice el movimiento oscilatorio. Colocando la fotocelda de tal manera que sea interferida por la regleta se logrará la adquisición de los datos necesarios.
- Montaje horizontal: para este caso es necesario usar también el carril neumático que nos permitirá obtener las oscilaciones horizontales casi sin fricción, la experiencia será más fácil si se realiza el experimento con dos resortes y colocando la regleta sobre el carrito y la fotocelda adecuadamente lograremos la adquisición de datos.
Conectada la fotocelda a la computadora con el software adecuado obtendremos inmediatamente los gráficos del movimiento, distancia, velocidad, aceleración, así como también sus ecuaciones. Se pueden cambiar los parámetros y ver los resultados inmediatamente.
Fig. 1: Montaje del movimiento oscilatorio horizontal usando el carril neumático, fotocelda y aditamentos construidos en el taller de la Sección Física de la PUCP. con sensor de sonido.
Este sensor usa un transductor electrostático y un módulo sonar que envía un pulso ultrasónico. El pulso rebota en n objeto en movimiento y vuele al módulo. El sensor mide el tiempo qu1e toma el viaje de ida vuelta del pulso. El software multiplica el tiempo por la velocidad del sonido y obtiene la medida de la distancia; también ea1iza los cálculos y evalúa los errores.
Este equipo se puede usar para tomar las medidas en los montajes anteriores agregándoles una placa reflectora o se puede hacer simplemente con el montaje de un péndulo simple con una masa esférica grande que permita la reflexión del pulso.
Aquí es importante recalcar que el alcance de esta herramienta moderna no se limita solamente a la realización de un experimento en tiempo real, sino va mas allá, nos permite obtener información con mucho mayor detalle que con métodos convencionales, por lo que importante aprovechar esta ventaja. Por ejemplo, en el caso de la elasticidad, el experimento no tiene limitarse al estudio de un resorte que sólo nos permite trabajar en la zona elástica y calcular la constante de este. Usando simultáneamente un sensor de fuerza y un sensor de sonido, con un alambre delgado montado adecuadamente en un dispositivo preparado para tal fin se obtiene el gráfico fuerza versus deformación, en el que es posible observar la zona elástica, la zona plástica hasta el punto de fractura. Allí podemos identificar cada una de las zonas y sus puntos límites, además mediante un cálculo sencillo obtenemos el módulo de Young del material del alambre, que puede ser cobre, aluminio, bronce, acero, etc.
AVANCES REALIZADOS POR EL GRUPO DE TRABAJO
Como mencionamos al comienzo de este artículo el espíritu sembrado por el Ingeniero José Castro Mendivil hizo que se fueran desarrollando y construyendo equipos para el laboratorio de la Sección Física del Departamento de Ciencias de la Pontificia Universidad Católica, tanto para enseñanza a nivel superior como a nivel de secundaria. En los últimos cinco años toma mayor fuerza con la formación de un grupo de trabajo de profesores de la Sección Física con la colaboración de estudiantes de Física y también de Ingeniería Electrónica. Se han desarrollado una serie de equipos, dispositivos y partes que se usan desde entonces en los laboratorios de Física y también en clases demostrativas.
Para realizar los experimentos asistidos por computadora existen productos desarrollados comercialmente en países del Primer Mundo. Un inconveniente del uso de estos equipos es que no están a disponibilidad de las economías de los Centros Académicos del Tercer Mundo salvo excepciones y además por no estar en nuestro idioma limita su empleo por parte de nuestros estudiantes. Un análisis de los equipos disponibles comercialmente nos permite saber que la tecnología empleada no es muy sofisticada y está a nuestro alcance construir productos iguales o superiores con la ventaja de poder reparar cualquier equipo que sufra una avería o desperfecto.
En cuanto a los aparatos mecánicos y eléctricos, hemos desarrollado la tecnología para el diseño y la construcción de todos los elementos necesarios.
Nuestro último logro es haber construido un prototipo de fotocelda, el cual puede trabajar directamente con una microcomputadora ya sea con acceso por la puerta de Joystick y programa directo o por medio de una interfase. También estamos trabajando con el sensor de sonido del cual estamos muy optimistas.
En cuanto al desarrollo del software éste se encuentra muy avanzado. A continuación ponemos una descripción de la interfase a ser usada con la fotocelda. Esta descripción es realizada por el profesor José Luís Phan Lau quien está dirigiendo este desarrollo.
Fig. 2: Muestra de una captura de datos de una versión alpha del programa
DESARROLLO DE LA INTERFASE CON EL USUARIO
La interfase con el usuario se ha diseñado para correr bajo el entorno Windows. Por el momento, por criterios de compatibilidad se ha seleccionado que se soporte únicamente la versión 3.1 de Windows. En el futuro, se ha previsto una migración hacia Windows 95 cuando el equipamiento de los laboratorios soporte dicha plataforma.
El sistema de desarrollo seleccionado ha sido Delphi de Borland. Este sistema es un lenguaje de programación Pascal por objetos. Se ha previsto migrar próximamente al entorno de Visual C de Microsoft. La ventaja de emplear Delphi es su simplicidad para acceder ciertas variables del entorno. A esto debemos contrapesar la desventaja de que el sistema es más lento que Visual C.
El software en vías de desarrollo tiene una interfase con el usuario en castellano. Esto lo hace más fácil de emplear para la mayoría de los estudiantes.
Por el momento estamos empleando el puerto del adaptador de juegos (joystick). Sin embargo está previsto poder emplear cualquiera de los puertos de una PC que pueda ser bidireccional. No se tiene previsto emplear una tarjeta especial de interfase porque esto tiene potenciales problemas de compatibilidad e incrementa el costo de) producto.
El primer paso que el usuario deberá realizar en la toma de datos. El sistema es capaz de recibir datos cada milésimo de segundo. El total de se datos que se pueden recibir está limitado por la memoria disponible en el sistema, la cual es administrada dinámicamente.
Una vez que se tienen los datos en memoria se pueden hacer varias operaciones. Una de ellas es graficar los datos. Otra opción es efectuar transformaciones con los datos.
Cuando se pide graficar los datos, el sistema tiene ciertas opciones predefinidas, pero el usuario puede escoger otras.
Las transformaciones de los datos consisten en efectuar operaciones aritméticas y funciones sobre los datos tomados experimentalmente. Por ejemplo si X es el dato tomado, una transformación válida puede ser SEN(X)/2 + 5. La finalidad de permitir la transformación se debe a que muchas veces es más cómodo visualizar un dato en forma logarítmica o exponencial.
Es posible imprimir los datos y los gráficos en cualquier impresora compatible.
Se tiene previsto la posibilidad de tener varios tipos de sensores por lo que el programa tiene la opción de seleccionar cualquiera de ellos. También se está trabajando la posibilidad de emplear dos sensores simultáneamente, así como la posibilidad de que un sensor sea identificado automáticamente por el software.”
Para terminar con este artículo, quiero expresar mi agradecimiento a todos los que nos han ayudado con su crítica constructiva, comentarios y sugerencias que contribuyen a llevar adelante este proyecto.
* Originalmente Publicado en: Ingeniería en la PUCP Año 1 Número 2 Enero 1998
