Las razones por las que no se enseña física moderna en los colegios son numerosas: falta de preparación de los profesores, dificultades experimentales, carencia de recursos didácticos y desinterés por enseñar un área que presenta alta dificultad conceptual. Pero, ¿es acaso imposible llevar a las aulas de clase las dos teorías más importantes de la física en la actualidad?
La Vía Láctea. Para estudiar las estrellas y galaxias es necesario tener en cuenta la relatividad especial y general de Einstein.
Han pasado más de cien años desde que Albert Einstein publicó las teorías de la relatividad especial, en 1905, y de la relatividad general, en 1915; los físicos llevan un siglo devanándose los sesos para entender el mundo subatómico con la mecánica cuántica, pero aun así, si un estudiante de bachillerato ha escuchado hablar sobre agujeros negros o sobre antimateria ha sido en películas de ciencia ficción o en internet y no en su clase de física.
Una investigación de la Facultad de Educación de la Universidad de Antioquia, llamada Experimentación mental en la formación de maestros de ciencias: Una alternativa para la enseñanza de la física moderna en la escuela, indica que “pese a la existencia de estas nuevas teorías en la escuela, la física clásica: newtoniana y maxwelliana, goza de un lugar privilegiado entre los docentes”, dejando de lado la física moderna, mecánica cuántica y relatividad.
Carlos Duque, profesor de física en la Universidad de Antioquia, opina que “si en el siglo XXI no podemos hablar con la gente de la física que se hizo hace 100 años, ¿cuándo las personas del común la van a conocer? Nuestros estudiantes de secundaria no saben qué es grafeno, no saben qué son metamateriales, no saben qué es fotónica, no saben qué es un semiconductor, superconductividad y esa esa física vieja con aplicaciones actuales”.
Algunos autores como Gerhard Aubrecht y Rick Stannard consideran en sus investigaciones algunos argumentos de por qué se debería enseñar física moderna en la educación media: despierta la curiosidad de los estudiantes, existe una necesidad de que los estudiantes tengan contacto con la física que se construyó a partir de 1900, motiva a los estudiantes a elecciones de carreras científicas, las dificultades que puede tener la enseñanza de la física moderna no son muy diferentes a las que se tienen de la física clásica.
Otro argumento al por qué se debería enseñar física moderna en los colegios lo plantea Henry Grajales en su estudio La enseñanza de la Física Moderna en la educación básica: una aproximación desde el principio de la incertidumbre. Él señala que en las pruebas de estado se incluyen preguntas que hacen alusión a la física moderna y los estudiantes no están preparados para responderlas.
Duque opina que si bien la ciencia no necesita estar apelando a las aplicaciones para justificarse, las razones prácticas para la enseñanza de la física moderna también existen. La innovación es otra respuesta a por qué enseñar estas ramas de la física.
Albert Einstein, padre de la física moderna.
“Para poder innovar hay que estar abierto a lo nuevo. ¿Nosotros para qué queremos ir a un asteroide que está dando vueltas por ahí? En principio no sirve para nada, pero detrás de ese trabajo científico hay un desarrollo tecnológico, un desarrollo de máquinas de instrumentación, lo que hay en camino es lo que trae innovación”, explica Duque.
Ahora bien, con tantos argumentos en pro de la enseñanza de la física moderna, vale la pena preguntarse por qué la mecánica cuántica y la relatividad están vetadas de las aulas de clase alrededor del mundo, con pocas excepciones.
“Parece ser que los limitantes que ocasionan que la física que se construyó desde el siglo pasado sea esquiva a un tratamiento medianamente responsable en la escuela secundaria de hoy, responden a la limitada presencia de estas asignaturas en los programas de formación de los maestros”, señala el estudio de la Universidad de Antioquia.
“Se habla de una apatía frente a la llegada de la física moderna a la escuela por parte de los docentes. Y no es para más, son temas que al representar una revolución del pensamiento sobre el universo, presenta un sin fin de dificultades para su enseñanza y por ende para su aprendizaje”, indica el estudio.
La física moderna es considerada difícil y abstracta. No obstante, las investigaciones sobre su enseñanza muestran que la física clásica también es difícil y abstracta para los alumnos, por lo que esto no sería un obstáculo adicional a la enseñanza de estas ramas de la física. El problema radica entonces en el desconocimiento y falta de dominio de estos temas por parte de los docentes.
Pero este no es el único obstáculo. En ciencia, particularmente en física moderna, no es sencillo recurrir a actividades experimentales en la escuela e inclusive en la universidad. A esto se suma la ausencia de recursos didácticos y pedagógicos para la enseñanza de estas ramas de la ciencia.
La mecánica cuántica no puede predecir la ubicación exacta de los electrones en un átomo de hidrógeno, sólo la probabilidad de encontrarlos en un área. Las partes más brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electrón.
“No hay un material suficientemente desarrollado para llevar al aula de clase, no hay ejercicios ni la transformación didáctica necesaria para que un docente se la pueda entregar a un estudiante”, indica Edwin Muñoz, profesor de física que está realizando su doctorado en enseñanza de esta ciencia, específicamente en la enseñanza de la relatividad especial a alumnos de grado 11.
En escuelas de algunos pocos países se enseña física moderna, pero según indica la investigación Obstáculos representacionales mentales en el aprendizaje de conceptos cuánticos, “aunque la intención es familiarizar al estudiante con estas temáticas los resultados no son satisfactorios”. Los problemas son muchos, por un lado el oscurecimiento de la física con matemáticas avanzadas requeridas en la física moderna y por otro, los vacíos de los estudiantes en las matemáticas fundamentales requeridas en estos cursos.
Para Duque, la solución está en educar bien a los docente de secundaria en física moderna, “porque si un profesor comprende bien un tema puede explicárselo a una persona cualquiera en la calle. Es hora de que los profesores universitarios vayan a los colegios a atraer la atención de los profesores de secundaria y que ellos sean los que hagan la labor. Tenemos que formar a las personas que están formando a los estudiantes”.
“Nosotros desde la universidad nos pasamos criticando a los estudiantes que nos mandan de secundaria, pero no hacemos nada por ellos, nosotros no vamos a los colegios. Creemos que lo que hacemos aquí es la única ciencia que se hace y no nos damos cuenta que son los estudiantes de secundaria los que dentro de cinco o seis años están llenando nuestras aulas”, agrega.
Pero, “una inclusión exitosa de la física moderna no sólo dependerá de la formación de maestros competentes y dispuestos, sino también en la posibilidad de incluir actividades experimentales que den cuenta del pensamiento, de la construcción del conocimiento y del quehacer científico”, señala el estudio de la Universidad de Antioquia.
Debido a la escasez de recursos técnicos para experimentar se hace necesaria una estrategia que permita superar estas dificultades. Una idea que comparten numerosos estudios es el uso de los experimentos mentales como herramienta para la enseñanza de la física.
Parte de Walk of Ideas, en la Isla de los Museos (Berlín).
Esto no es algo nuevo, la experimentación mental es el uso de escenarios hipotéticos para comprender la realidad. La creación de la mecánica cuántica y la relatividad se logró, en gran parte, por el uso de este tipo de experimentación.
Para Muñoz, enseñar física moderna en los colegios no sería especialmente difícil si hubiese la voluntad de hacerlo: “A nivel de secundaria sólo se buscan unas pequeñas nociones, tener unas bases”.
“Si miráramos los derechos básicos de aprendizajes, que es lo que establece el Ministerio de Educación que como mínimo debe tener un estudiante, daría tiempo suficientes, porque esos derechos básicos implican poca cantidad de contenidos”, señala Muñoz.
La física moderna tiene dos grandes ramas, la mecánica cuántica y la relatividad. Esta última consta de dos teorías, la relatividad especial y la relatividad general, ambas desarrolladas por Albert Einstein.
“Yo puedo hablar de relatividad perfectamente con un estudiante de secundaria, con una persona en la calle, hablarle de los conceptos básicos, puedo hablarlo de manera fenomenológica y conceptual, utilizando experimentos mentales. La relatividad se puede complicar hasta cuando uno quiera”, afirma Duque.
“Para hablar de una formulación matemática de la relatividad, basta con que una persona tenga una formación básica. A un estudiante de grado décimo, ya habiéndole mostrado las transformaciones de Galileo, le puedo mostrar las transformaciones de Lorentz y la matemática que hay allí involucrada en estudiante la puede entender”, agrega el profesor.
En su doctorado, Muñoz aplica una secuencia didáctica de la enseñanza de la relatividad especial en estudiantes de secundaria: “Hemos concluido que sí se puede llegar a algunas de las nociones de la relatividad especial, empezando desde la cinemática clásica, rescatando temáticas que ya no se enseñan en el colegio, como las adiciones de Galileo”, explica.
“Mínimo son diez clases para comprender los inicios de la relatividad especial. Los estudiantes de grado 11 alcanzan a comprender los conceptos básicos de contracción de la longitud y dilatación del tiempo. La matemática que se desarrollan en la secuencia son muy fundamentales”, especifica el docente.
Para él, enseñar los rudimentos de relatividad especial en los colegios sería un gran paso en la inclusión de la física moderna en los currículos de los últimos grados de colegios. Los académicos coinciden en la necesidad de dar este paso, pero es algo que no parece que fuese a suceder en el futuro cercano. Pese a que los obstáculos son muchos, hay dos que se destacan especialmente: el desconocimiento y el desinterés de los profesores de colegio por el tema.
Un experimento mental interesante en relatividad es suponer que se viaja a la velocidad de la luz. Las ecuaciones de la relatividad muestran que es imposible alcanzar tal velocidad para un objeto que tenga masa, pero hay partículas que carecen de masa y pueden alcanzarla: los fotones, la luz misma. La teoría de Einstein no dice algo muy interesante, debido a la dilatación del tiempo, si pudiésemos ser un fotón, el tiempo no transcurriría para nosotros. Todo sucedería en un mismo instante. Para un rayo de luz, la eternidad y la inmediatez son lo mismo.
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