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Del CERN al aula de física: La cámara de niebla como proyecto

25/02/2019 - Blog - Julià Hinojosa Lobato
El verano de 2017 formé parte del Spanish Teacher Program (STP) en el CERN gracias a una beca de la Fundación Aquae. El principal objetivo de este programa es llevar la ciencia moderna a las aulas para contribuir a la cultura científica y fomentar los estudios en los campos asociados. Tras participar, los profesores seleccionados compartan sus experiencias con los estudiantes, con sus colegas y con el público en general, actuando como embajadores de la ciencia y la ingeniería.
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El verano de 2017 formé parte del Spanish Teacher Program (STP) en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), Suiza, gracias a una beca de la Fundación Aquae. El principal objetivo de este programa es llevar la ciencia moderna a las aulas para contribuir a la cultura científica y fomentar los estudios en los campos asociados. Se espera que, tras participar los profesores seleccionados compartan sus experiencias con los estudiantes, con sus colegas y con el público en general, actuando como embajadores de la ciencia y la ingeniería y, más en particular, de la física de partículas y del CERN. Fue una semana inolvidable y apasionante tanto por el aprendizaje en la misma fuente del saber cómo por la experiencia personal como profesor de física e investigador.

Fundamentación de la experiencia

A la vuelta quise aprovechar algunos de los experimentos para introducir a mis alumnos en la práctica científica utilizando, de alguna forma, una aproximación de la metodología de trabajo del CERN, ya que como decía John Dewey "la escuela no tiene que preparar para la vida, debe ser la vida misma”.

Generalmente en el trabajo por proyectos el objetivo no es tanto construir ideas clave o modelizar, sino instrumentalizar o aplicar conocimientos ya aprendidos y profundizar en los mismos y en competencias más transversales. Cuando se habla de un "aprendizaje basado en proyectos", actualmente se está hablando de metodologías muy diversas, aunque todas tienen algunos rasgos comunes. Algunos de los más relevantes se relacionan con que:


  1. Se parte del estudio de alguna situación contextualizada.

  2. Se investiga para dar respuesta a preguntas, dudas o retos, iniciales o que van surgiendo a lo largo de la realización del proyecto.

  3. Se aprenden, a partir del contexto y en respuesta a preguntas, conocimientos clave y transferibles a la interpretación y actuación en otros contextos.

  4. Se incluyen contenidos y evaluaciones auténticas.

  5. Se da a los alumnos la oportunidad de trabajar relativamente autónomamente.

  6. El profesor facilita pero no dirige.

  7. Se trabaja en grupos heterogéneos, y se promueve el aprendizaje cooperativo y la reflexión.

  8. Se utilizan herramientas para aprender de manera interactiva, promoviendo el uso de tecnologías digitales.

  9. Se finaliza con alguna acción en el entorno que planifican los mismos estudiantes.




La experiencia en la escuela

El reto, después de convivir un cierto tiempo en el contexto creado para explicar la física moderna, era visualizar partículas subatómicas a través de la construcción de una cámara de niebla. En el laboratorio SchoolLab del CERN habíamos montado una de forma muy fácil, pero con alguna característica que la hacía poco sostenible (Wiener, 2017). Para conseguir el gradiente de temperatura usábamos hielo seco, el cual se acababa deshaciendo en poco tiempo (no más de una hora).

Tras proponer el reto comienza la búsqueda bibliográfica y las primeras preguntas sobre física de partículas para aclarar conceptos y asimilar el verdadero funcionamiento de la cámara al por menor. Realizamos una de las primeras reuniones para regular el estado de la cuestión y es obvio que, además de resolver alguna duda conceptual, los alumnos tienen la necesidad de ver alguna cámara en funcionamiento. Mientras se organizan para conseguir los diferentes componentes algunos de los cuales consiguen directamente de China y empiezan la construcción.

Santi Vilchez, un compañero de profesión, nos mostró en funcionamiento la suya y los alumnos pudieron discutir las dudas y defender y aclarar sus diseños. Él nos ayudó a identificar y nos ofreció soluciones a algunos de los problemas con los que más adelante deberíamos batallar.

Tras la visita, llegaba la hora de la verdad y tocaba construir nuestra cámara. En este estadio se evidenciaron las diferentes destrezas de los estudiantes (mecánicas, eléctricas, logísticas, organizativas, de investigación...). Y, como era de esperar, comenzaban a surgir los primeros problemas. Había que identificarlos y diferenciarlos para intentar resolverlos uno a uno (no conseguíamos bajar suficientemente la temperatura, la iluminación no era adecuada...). En estos momentos, volvía ser muy importante la regulación de las emociones, las estrategias de razonamiento, las metodologías de trabajo y la discusión de todo ello a través de pensar/hacer/comunicar/sentir en grupo.

Y finalmente la puesta en escena, aprovechando el "día de la familia" cuando abrimos la escuela a todas las familias. Disponíamos de una muestra radiactiva, circón (con trazas de óxidos de torio y de uranio), que hizo una visualización espectacular. Pero lo verdaderamente importante no era tanto esta espectacularidad que facilitaba los relatos, como las explicaciones que los mismos alumnos daban a todo el que se acercaba al experimento. Daban fe de cómo habían madurado y consolidado el modelo que tiempo atrás sólo movilizaban para resolver problemas teóricos en papel. Incluso cambiando de discurso y adecuándolo según quien se acercaba, niños de primaria o ESO, compañeros de bachillerato o padres más o menos entendidos en la materia. Respondiendo a preguntas que iban mucho más allá de lo explicado en clase, evaluando las experiencias vividas y haciéndose preguntas que serán investigadas en futuras investigaciones.

En definitiva, y como se pretendía esta experiencia ha respondido, a grandes rasgos, a la forma de trabajar de los investigadores del CERN: investigación y descubrimientos, colaboración, tecnología y formación. Logrando un alto nivel de profundización sobre el modelo ya conocido y su aplicación, movilizándolo, conectándolo con las ideas previas-predicciones y relacionándolo con las pruebas obtenidas. Además de trabajar otras competencias transversales.

Nuevas preguntas

La principal aplicación experimental de la cámara de niebla es la identificación de las partículas atómicas visualizando los rastros de su trayectoria al cruzar la niebla. Estas trazas tienen formas distintivas (p.e. la traza de una partícula alfa es ancha y recta, mientras que la de un electrón es más fina y muestra pruebas de ser reflectada). La cámara de niebla ayudó al estudio de los rayos cósmicos, las partículas alfa, beta, rayos X, y en descubrir nuevas partículas como el mesón, el positrón y el muon. En el vídeo se pueden identificar partículas alfa, electrones y, creemos, que muones, ya que no provienen de nuestras muestras y son muy energéticos (hacia el final de la grabación).

Una vez la cámara está terminada y en funcionamiento comienzan a surgir nuevos interrogantes y se plantean:

  • Como calibrarla, es decir, hacerla trabajar conociendo de inicio las partículas que se pondrán en juego con el fin de establecer un catálogo de visualizaciones e identificar otras nuevas.

  • Emprender la cuantificación mediante el recuento de partículas en función de diferentes variables.

  • Comparar y contrastar los datos de este detector con otros que utilizan otras tecnologías.

  • Utilizar la cámara para estudiar la radiación natural de algunos materiales cotidianos que radian.

  • Analizar cómo se desvían las trayectorias de las partículas en presencia de campos electromagnéticos.


 

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Sobre el autor

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona (UB), 1991. Doctor en Ciencias Físicas por la UB, 2001. Desde 1992 hasta 2005 contratado y investigando para el Departamento de Medio Ambiente de la Generalitat de Catalunya a través de la UB. En este período de tiempo realice estudios de caracterización/predicción de fenómenos meteorológicos de la capa fronteriza atmosférica mediante la explotación y desarrollo de los datos subministrados por un equipo SODAR-DOPPLER. Al mismo tiempo ejercía como Profesor y Jefe del Departamento de Ciencias Experimentales en secundaria impartiendo clases de física, matemáticas i tecnología. Desde 2003 formo parte del grupo de Investigación Consolidado LiEC (Lenguaje y Enseñanza de las Ciencias) de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Desde 2012 formo parte del Consejo de Redacción, como editor de sección, de la revista Enseñanza de las Ciencias, indexada en el JCR. Mi investigación, actual, se centra prioritariamente en la implementación de la indagación y sus metodologías en el proceso de enseñanza-aprendizaje de las ciencias en general y de la física en particular y de la implicación de la autorregulación por parte de los alumnos en este proceso. Asimismo ejerzo como jefe de proyectos y asesor de la formación de los docentes sobre trabajos de indagación. Actualmente, también, ejerzo de Profesor Asociado en Didáctica de la Materia, la Energía y las Interacciones en el doble grado de magisterio de primaria e infantil en la Universidad de Barcelona (UB).

 

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