Enseñanza y aprendizaje de aspectos fundamentales de física cuántica en la escuela secundaria a partir del estudio de la luz

• Autores: Elgue, Mariana
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Fanaro, María de los Ángeles; Otero, María Rita
• Materia: Enseñanza secundaria; Luz; Física cuántica; Teoría de los campos conceptuales de Vergnaud; Didáctica de la física; Tesis de doctorado
• Institución: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires

Esta Tesis se ocupa del estudio de la conceptualización de aspectos cuánticos fundamentales estudiados a través del comportamiento de la luz en distintas experiencias (reflexión, refracción y experiencia de la doble rendija), en un grupo de N=83 estudiantes de la escuela secundaria. Se retoma la Estructura Conceptual Propuesta para Enseñar (ECPE) reconstruida anteriormente por el equipo de investigación (Arlego, Fanaro, Otero, y Elgue, 2011; Arlego, Fanaro y Otero 2012) a la vez que se adaptan las quince situaciones, que incluyen una situación de evaluación, para ser implementadas en cursos de quinto año de la escuela secundaria. Esta estructura se basa en la Estructura Conceptual de Referencia (ECR), reconstruida previamente en base al enfoque de la Mecánica Cuántica de Feynman “Path Integrals” o “Caminos Múltiples”, o técnica de Considerar Caminos Alternativos (CCA) como se denominó con los estudiantes de la escuela, que es reconocido como alternativo y complementario al enfoque canónico en la Física. La Teoría de los Campos Conceptuales (TCC) (Vergnaud, 1990) constituye el marco teórico de la Tesis. En base a este referencial se realizó un análisis didáctico previo para anticipar la mayor cantidad de posibles acciones de los estudiantes y del profesor, y los posibles invariantes operatorios que utilizarán los estudiantes al afrontar las situaciones propuestas en la ECPE. Se implementaron las quince situaciones que componen la secuencia en cuatro cursos de colegios secundarios de la ciudad de Tandil. Se realizó la descripción físico-didáctica de la implementación en los cuatro cursos, y el análisis de la conceptualización, empleando una metodología cualitativa. Se formuló una categorización que contempla los aspectos de la conceptualización: predicción y descripción de las experiencias, utilización de la técnica CCA, y reformulación cuántica de las experiencias. Se identificaron los teoremas-en-acto que posiblemente utilizaron los estudiantes al abordar las situaciones. Por último, se formaron grupos de conceptualización, que muestran distintas formas de conceptualizar los aspectos cuánticos de la luz, según su grado de acuerdo con los teoremas-en-acto propuestos en la ECR. Los resultados permiten concluir que la secuencia resultó viable en la escuela secundaria, aunque se reconoce un conjunto de aspectos didácticos que deben ser revisados, relativos a la presentación de las situaciones a los estudiantes, con el fin de ayudar a la conceptualización pretendida.
The present dissertation is concerned with the conceptualization of key quantum traits studied by means of the behavior of light in different experiences (reflection, refraction and double-slit experience) with 83 high-school students (N=83). This work draws on the Proposed Conceptual Structure for Teaching (PCST), which was previously reconstructed by the research team (Arlego, Fanaro, Otero, and Elgue, 2011; Arlego, Fanaro and Otero, 2012). Fifteen situations, including a testing phase, have been adapted for implementation with senior high-school students. Such structure is based on the Conceptual Structure of Reference (CSR), which was previously reconstructed from Feynman´s theory “Path Integrals”, “Sum-Over-Paths”, or “Technique for Considering Alternative Paths”, as named by the students. “Path Integrals” is an approach to Quantum Physics that is widely known for providing an alternative and complementary view to that canonically held in Physics. The theoretical framework for this work is the TCF, the Theory of Conceptual Fields (Vergnaud, 1990). Following this line of inquiry, a preliminary didactic analysis was conducted so as to anticipate student and teacher behaviour as well as students´ operational invariants when faced with the tasks assigned. All fifteen situations that make up the didactic sequence were implemented in four high-school courses in Tandil. A physical and didactic description of the four-course implementation was carried out and conceptualization analysis was conducted using qualitative methodology. Categories were formulated considering the different aspects of the conceptualization process: experience prediction and description, use of CCA technique, and quantum reformulation of the experiences. The theorems-in-action thought to have been utilized by the students at the time of facing the tasks were also identified. Finally, several conceptualization groups were arranged to account for the different methods used to conceptualize quantum light aspects. The groups were formed in accordance to the degree to which they matched the theorems-in-action proposed by the CRS. The results obtained support the implementation of the sequence in high-school scenarios while they point to a call for further revision of some of the didactic aspects connected to the way in which the situations are introduced in class so as to enhance the expected conceptualization process
L’objet de cette thèse est l’étude des aspects fondamentaux de la conceptualisation quantiques étudiés à partir du comportement de la lumière dans des expériences différentes (réflexion, réfraction et de l’expérience de la double fente) dans un groupe de n = 83 élèves de l’école secondaire. On utilise la Structure Conceptuelle Proposée pour Enseigner (SCPE) reconstruite au préalable par l’équipe de recherche (Arlego, Fanaro, Otero, et Elgue, 2011; Arlego, Fanaro et Otero 2012). On adapte les quinze situations de cette SCPE, en incluant une situation d’évaluation, et elles sont implémentées dans des cours de cinquième année à l’école secondaire. Cette structure est fondée sur le Cadre Conceptuel de Référence (CCR), au préalable reconstruit selon l’approche de la mécanique quantique de Feynman « intégrales de chemin » ou « plusieurs chemins » ou la technique de « Considérer les Chemins Alternatives (CCA) » – « CCA » a été dénommée pour les élèves à l’école–. Il est reconnu comme une approche alternative et complémentaire à la physique canonique. On utilise la théorie des champs conceptuels (TCC) (Vergnaud, 1990) comme cadre théorique. La TCC a permis de réaliser une analyse didactique préalable avec l’objectif d’anticiper la plus grande quantité d’actions possibles des étudiants et des enseignants, et des invariants opératoires que les étudiants utiliseront pour répondre aux situations proposées dans le SCPE. L’implémentation des quinze situations qui composent la séquence a été réalisée dans quatre cours du niveau secondaire à Tandil. On emploie une méthodologie qualitative pour réaliser la description physicien-didactique de l’implémentation dans les quatre cours et pour analyser la conceptualisation. On formule une catégorisation qui contemple les perspectives de la conceptualisation: la prédiction et la description des expériences, l’utilisation de la technique CCA et la reformulation quantique des expériences. On identifie des théorèmes-en-acte que les élèves ont éventuellement utilisés pour résoudre les situations. Finalement, on construit des groupes de conceptualisation qui montrent des différentes façons de conceptualiser les perspectives quantiques de la lumière, selon son degré de relation avec les théorèmes-en-acte proposés dans le CCR. On conclut que la séquence a été viable à l’école secondaire, mais on reconnaît qu’il y a un ensemble de perspective didactiques – relatif à la présentation des situations aux étudiants – qu’ils doivent être modifiés, afin d’obtenir la conceptualisation prétendue.
Fil: Elgue, Mariana. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.
Fil: Fanaro, María de los Ángeles. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.
Fil: Otero, María Rita. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.