En este trabajo se pretende demostrar cómo el estudio del comportamiento de las ondas sísmicas llevó a la construcción del modelo físico de la estructura interna de la Tierra en diferentes capas concéntricas. Los modelos analógicos en educación de la ciencias son instrumentos esenciales que hacen los conocimientos científicos más comprensible, facilitando la comprensión de conceptos abstractos y favoreciendo así el interés de los estudiantes

Castelhano, Paula C. de A. Maria

Fialho Azinhaga, Patrícia A. C.

Revista eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias

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RODIN - Repositorio de Objetos de Docencia e Investigación de la Universidad de Cádiz

O que está por baixo dos nossos pés

Repositorio de Objetos de Docencia e Investigación de la Universidad de Cádiz

Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 500−505, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA Lo que está bajo nuestros piesPaula C. de A. Maria Castelhano1, Patrícia A. C. Fialho AzinhagaExternato Cooperativo da Benedita, Leiria, Portugal 1 paulacastelhano@gmail.com[Recibido en marzo de 2010, aceptado en diciembre de 2010]En este trabajo se pretende demostrar cómo el estudio del comportamiento de las ondas sísmicas llevó a la construcción del modelo físico de la estructura interna de la Tierra en diferentes capas concéntricas. Los modelos analógicos en educación de la ciencias son instrumentos esenciales que hacen los conocimientos científicos más comprensible, facilitando la comprensión de conceptos abstractos y favoreciendo así el interés de los estudiantes.Palabras clave: Ondas sísmicas; Refracción; Reflexión, Estructura interna de la Tierra; Modelos analógicos.What is under our feetOur aim in this work is proving how the study of the behaviour of seismic waves led to the construction of the physical  model of the internal structure of the Earth in different concentric  layers.  The analogue models in science education are essential tools that make scientific knowledge more intelligible and plausible, facilitating the understanding and visualization of abstract concepts and may promote thereby the interest of students.Keywords: Seismic waves; Refraction; Reflection; Inner structure of the Earth; Analogical models.O que está por baixo dos nossos pésIn iste trabalho se pretende demonstrar de que forma o estudo do comportamento das ondas sísmicas permitiu a construção do modelo físico da constituição interna da Terra, em diferentes camadas concêntricas. Os modelos analógicos no ensino das ciencias são ferramentas cruciais que tornam o conocimiento científico mais inteligível e plausível, facilitando a compreensão e visualização de conceitos abstractos, podendo promover, deste modo, o interesse dos alumnos.Palavras-Chave: Ondas sísmicas; Refracção; Reflexão; Estrutura interna da Terra; Modelos analógicos.IntroducciónLa ciencia debe presentarse como un conocimiento en construcción, concediendo particular importancia  al  modo  de  producción  de  estos  conocimientos,  reforzando  la  idea  de  un conocimiento científico en cambio y explorando, al nivel del aula, la naturaleza de la ciencia y de la investigación científica.  De este modo el aprendizaje de las ciencias ha de entenderse como un proceso activo en el que el alumno desempeña el papel principal de constructor de su proprio conocimiento.Puesto que no es fácil  motivar a los alumnos para el estudio de una ciencia en la que los fenómenos, a pesar de  ser actuales, ocurren en una escala de tiempo imperceptible, surge el desafío  de  encontrar  estrategias  que  desarrollen  capacidades  cognitivas,  procedimentales  y actitudinales, mediante el planteamiento de situaciones problema, que conduzcan a prácticas experimentales, en las cuales los alumnos tienen un papel participativo, fundamental en ciencia y decisivo en el aprendizaje de las geociencias.La  actividad  que  se  presenta  en  este  trabajo  está  dirigida  a  los  alumnos  de  la  educación secundaria obligatoria, el bachillerato y la formación profesional de grado medio, y comprende la elaboración de un modelo analógico para la estructura y la dinámica interna de la Tierra, en capas  concéntricas,  basado  en  las  propriedades  físicas  de  los  materiales.  Esta  es  una herramienta  de  gran  utilidad  didáctica,  pues  además  de  ser  de  fácil  manejo,  ayuda  en  la Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las CienciasUniversidad de Cádiz. APAC-Eureka. ISSN: 1697-011XDOI: 10498/14558  http://hdl.handle.net/10498/14558http://reuredc.uca.esPAULA C. DE A. MARIA CASTELHANO, PATRÍCIA A. C. FIALHO AZINHAGA                                                              LO QUE ESTÁ BAJO NUESTROS PIEScomprensión,  simplificando  conceptos  abstractos  en  conceptos  simples.  La  experiencia  se centra en procedimientos de realización sencillos  y de bajo costo a través de los cuales es posible simular fenómenos geofísicos; los materiales que se emplean son botellas de plástico de diferentes diámetros,  aceite  alimenticio, agua de cal,  gelatina  de piña,  plastilina,  caja  de papel (40 cm × 40 cm) y puntero láser. A lo largo de la actividad deberán surgir cuestiones tales  como,  por  ejemplo,  ¿cuál  es  el  comportamiento  de  los  rayos  en  los  medios  que atraviesan?  ¿Qué  propiedades  pueden  influir?  ¿Qué  son  la  reflexión  y  la  refracción?  Se pretende observar y constatar que la trayectoria de los rayos láser está sujeta a alteraciones, siempre que las características de medio en el que se propagan sufren modificaciones. Así, son precisamente estos fenómenos (reflexión y refracción) los  que explican el hecho de que las ondas alcancen la superficie terrestre de forma desigual, originando para cada seísmo una zona de  sombra,  es  decir,  una  zona  donde  no  se  propagan  ondas  P  y  S  directas  y, consiguientemente, no se manifiesta actividad sísmica (Silva et al. 2008).Fundamentos teóricosSe  considera  que una de  las  características  fundamentales  del  pensamiento  humano es  su capacidad para establecer correlaciones entre el dominio desconocido y el dominio familiar. Esta conducta desempeña varios papeles en el  sistema cognitivo humano: se utiliza  en las actividades de comunicación, para favorecer la comprensión; las actividades de aprendizaje, para adquirir  nuevos conceptos;  las actividades creativas, para producir  nuevas ideas; y las actividades de raciocinio, para resolver problemas. Esta pluralidad de funciones lleva a que las analogías sean consideradas herramientas didácticas importantes en el aprendizaje de temas científicos complejos. La  aplicación  de  modelos  físicos  analógicos,  común en  la  enseñanza  de  las  Geociencias, deberá realizarse con precaución, una vez que, por las características del proprio conocimiento geológico, surgen, normalmente, problemas de escala, de representatividad de los materiales y de velocidad de los procesos. Se aconseja, por esto, que el recurso a los modelos se acompañe de una discusión de las hipótesis subyacentes, de una aprehensión de sus limitaciones y de una validación crítica de los resultados asociada a una comparación con datos reales.El  profesor  ha  de  tener  siempre  en  consideración  que  los  conocimientos  previos  de  los alumnos condicionan su aprendizaje, necesitándose establecer conexiones entre los conceptos y los modelos explicativos que los alumnos poseen y los nuevos conocimientos (Santos 1991). La historia de la Tierra es muy antigua. Una historia que se desarrolla desde hace casi 4600 millones de años y sobre la que, desde siempre, el hombre se preguntó. La Geología y otras disciplinas han contribuido a las respuestas de muchas cuestiones.Es proprio de una falsa ciencia que no descubra nunca lo que es falso, ni nunca reconozca la necesidad  de  renunciar  a  lo  que  fue,  ni  nunca  cambiar  de  lenguaje.  Aquello  que  hoy  es imposible, mañana será de sentido común.Es  difícil  estudiar  la  estructura  interna  de  la  Tierra  únicamente  mediante  la  observación directa.  Según  el  Laboratorio  Nacional  de  Energía  y  Geología  (LNEG),  actualmente  el hombre ha conseguido realizar observaciones directas hasta cerca de 7 km de profundidad en minas de diamantes de África del Sur, y en perforaciones que llegarán hasta los 12 km (INETI 2007).Los científicos están obteniendo cada vez más datos que prueban que algunos procesos que se producen  a  miles  de  kilómetros  de  profundidad  son  los  causantes  de  algunos  elementos singulares del relieve terrestre. Todavía quedan algunas incógnitas acerca del funcionamiento 501Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 500−505, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA de nuestro planeta. Buena parte de las respuestas están en su interior, en el manto terrestre, esa enorme capa interna que ocupa algo más del 80% de su volumen total (Alfaro 2011).El  esquema los  diversos  métodos  directos  de  estudio  de  la  Geosfera  aparece  en la  parte izquierda de la figura 1. El conocimiento sobre el interior de la Tierra se desarrolló con los métodos indirectos de estudio que se muestran en la parte derecha de la figura 1. La estructura interna de la Tierra es bastante compleja, consiguiéndose apenas percibir cómo está formado el interior de la Tierra a partir de los métodos indirectos del estudio del interior de  la  geosfera,  no  existiendo  ninguna  tecnología  que  consiga  soportar  las  condiciones extremas  existentes  en el  interior  de  la  Tierra.  Los  rayos  sísmicos,  al  igual  que los  rayos luminosos, sufren reflexión y refracción al pasar de un medio a otro de características físicas diferentes. Para ángulos de incidencia superiores al valor del ángulo crítico, el rayo sísmico sólo se refleja. Para valores inferiores al valor del ángulo crítico, el rayo sísmico se refracta y se refleja, tal como se ilustra en la figura 2.En sismología, la superficie de separación entre dos medios con propiedades físicas diferentes se denomina discontinuidad.  Las trayectorias  de las ondas P y S son curvilíneas.  Como la Tierra es heterogénea, se admite que las ondas sísmicas atraviesan medios con propiedades físicas diferentes.Son  precisamente  estos  fenómenos  de reflexión  y  de  refracción  los  que  explican  el hecho de que las ondas lleguen a la superficie terrestre  de  modo  desigual,  originando  para cada seísmo una zona de sombra, es decir, una zona  donde  no  se  propagan  ondas  P  y  S directas y, consiguientemente, no se manifiesta actividad sísmica (figura 3).Teniendo en cuenta la composición y la rigidez de los materiales que constituyen el interior de la Tierra, se elaboraron algunos modelos para representar su estructura, entre los cuales están el  modelo  químico  y  el  modelo  físico  del interior de la geosfera. El primero tiene como base  la  composición  de  los  materiales existentes en el interior de la geosfera, mientras que  el  segundo  considera  la  rigidez  de  los materiales mencionados anteriormente.502Figura 1. Esquemas donde se muestra los diferentes métodos directos (izquierda) e indirectos (derecha) que contribuyen al estudio de la Geosfera.Figura  2. Esquema  que  representa  los  posibles comportamientos de una onda P, en una superficie de discontinuidad entre dos medios sólidos (Web1 2010).PAULA C. DE A. MARIA CASTELHANO, PATRÍCIA A. C. FIALHO AZINHAGA                                                              LO QUE ESTÁ BAJO NUESTROS PIESProcedimiento de construcciónLa experiencia se centra en procedimientos de realización sencillos y de bajo coste a través de los cuales es posible simular fenómenos geofísicos. Para ello se empleará botellas de plástico de diferentes diámetros,  aceite  alimenticio,  agua de cal,  gelatina de piña,  plastilina,  caja de papel  (40 cm × 40 cm) y puntero láser. A continuación se detallan los pasos a seguir.1.  Se  cortan  las  botellas  de  plástico,  de  fondo  redondo  y  de  diferentes  diámetros,  con aproximadamente 8 cm de altura.2. Se colocan los diferentes fondos de las botellas unos en el interior de los otros; se puede fijar cada fondo de botella con un poco de plastilina.3. Se depositan las sustancias en cada recipiente: gelatina (en primer lugar), aceite alimenticio, agua, bolas de gel…4. Se coloca boca para abajo la caja de papel, es decir, su fondo estará en la parte superior, y se corta en la base un rectángulo de 12 cm de ancho por 2 cm de largo, que estará centrado en la caja; en una de las caras laterales (la más estrecha) se corta un cuadrado de aproximadamente 5 cm  × 5 cm, que también estará centrado, pero en la parte inferior de la caja.Algunos de los materiales necesarios para realizar la actividad aparecen en la figura 3.5. Se coloca la caja encima de los recipientes de plástico y se dirige la luz del puntero láser hacia los recipientes,  a través de la abertura que hay en la base de la caja;  por la abertura rectangular, situada encima de la caja, se observa el comportamiento del rayo láser. La figura 4 contienen varias imágenes de la trayectoria seguida por el láser.A los alumnos de les pide que observen y tomen fotografías. Seguidamente se les pregunta sobre el comportamiento de las ondas sísmicas cuando encuentran materiales de diferentes densidades.  Por  último,  se  pide  a  los  alumnos  que  preparen  un  informe  V  de  Gowin (Trowbridge y Wandersee 2000).503Figura 3. Esquema en el que se muestra las zonas de sombra marcadas por el comportamiento de las ondas S y P a la profundidad de 2900 km (límite de la zona representada en amarillo) y 5150 km (límite de la zona representada en blanco), así como como los diferentes estados físicos de las sucesivas capas concéntricas de la Tierra, deducidos a partir de las velocidades de propagación de las ondas sísmicas (Web2 2010).Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 500−505, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA Orientaciones didácticasA lo  largo  de  la  actividad  han de  surgir  cuestiones  tales  como,  por  ejemplo:  ¿cuál  es  el comportamiento de los rayos en los medios que atraviesan?, ¿qué propiedades pueden influir en este comportamiento?, ¿qué son la reflexión y la refracción? Se pretende observar y constatar que la trayectoria de los rayos láser está sujeta a alteraciones, siempre que sufran modificaciones las características del medio en el que se propagan. ¿De qué modo el modelo expuesto representa la realidad? ¿Cuáles son sus limitaciones? Así, son precisamente estos fenómenos (reflexión y refracción) los que explican el hecho de que las ondas lleguen de forma desigual a la superficie terrestre, originando para cada seísmo una zona de sombra, donde no se propagan las ondas P y S directas y donde, consiguientemente, no se manifiesta actividad sísmica. Antes de realizar la actividad práctica, conviene visionar con los alumnos vídeos que ilustren conceptos y escenas inherentes a la temática que se está estudiando. A modo de ejemplo, a continuación se citan algunos de los vídeos que vimos con nuestros alumnos.Ondas sísmicas: http://www.youtube.com/watch?v=o2KEir8XlAIPropagación de ondas: http://www.youtube.com/watch?v=yOGoKCK17a4&featureDentro de la tierra: http://www.youtube.com/watch?v=3xLiOFjemWQ&featureOndas sísmicas: http://www.youtube.com/watch?v=14SIvKH1kLo 504Figura 3. Algunos de los materiales utilizados en la elaboración de la actividad práctica.Figura 4. Fotografías en las que se aprecia las trayectorias del rayo láser en el modelo analógico de la estructura interna de la Tierra. PAULA C. DE A. MARIA CASTELHANO, PATRÍCIA A. C. FIALHO AZINHAGA                                                              LO QUE ESTÁ BAJO NUESTROS PIESConsideraciones finales Resulta  fundamental  abordar  la  enseñanza  de  la  Geología  desde  situaciones  concretas, habituales en la vida cotidiana de los alumnos, que puedan observar, o que les sean familiares; también  dejarse  claro que los  modelos  no  son modelos  vivos,  o  sea,  que no representan exactamente la realidad (Bonito 2000). Según Santos (1991), los conocimientos que a primera vista parecen rigurosos, lógicos y bien estructurados (pero que a penas resultan de una mezcla de conceptos),  en la primera oportunidad,  se sustituyen por concepciones  alternativas que continúan latentes y con  su lógica propia. Hay que guiar al alumno para que reemplace el sistema estructurado de sus concepciones. Hay que proporcionarle  oportunidades de llamar, progresivamente, a consciencia y de criticar la cultura elemental de la que es portador a fin de poder salir del reino de la ciencia fácil y entrar en el reino de la ciencia difícil, en el “tiempo de las iniciaciones viriles” como también lo denomina Bachelard. Así, por ejemplo, la concepción de una ruta geológica, puede constituir un punto de partida, que permita el recurso al trabajo de campo, para observación local de las diversas litologías y recogida  de  muestras,  para  el  posterior  trabajo  de  aula.  Esta  práctica  permite  establecer relaciones  al  nivel  de  los  diferentes  contenidos  programáticos  y  profundizar  las  temáticas correspondientes, teniendo en cuenta la edad de los alumnos.Esta metodología permite que la Geología deje de ser percibida como una disciplina distante e inaccesible, pudiendo ser considerada como un área científica muy próxima, presente en casi todo lo  que nos rodea.  Así,  el  aprendizaje  de  las  ciencias,  requiere  la  (re)construcción de contenidos  científicos  por  medio  de  estrategias  didácticas  adecuadas  a  la  enseñanza (Galagovsky y Adúriz-Bravo 2001).ReferenciasBonito  J.  (2000)  As  actividades  práticas  no  ensino  das  Geociencias.  Um  estudo  que  procura  a  conceptualização. Lisboa. IIE.Galagovsky L., Adúriz-Bravo A. (2001) Modelos y analogías en la enseñanza de las Ciencias Naturales. El concepto de Modelo Didáctico Analógico. Enseñanza de las Ciencias 19 (2), 231-242.Alfaro P. (2011) Un modelo para el funcionamiento del interior terrestre y su interacción con la superficie. Alambique 67 (1), 20-27.INETI (2007) Vamos mexer nos continentes. Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação  http://e-Geo.ineti.pt/geociencias/edicoes_online/diversos/guiao_tectonica _placas/indice.htmSantos  M.  (1991)  Mudança  conceptual  na  sala  de  aula:  um  desafio  pedagógico.  Lisboa.  Livros Horizonte.Silva J. C., Ribeiro E., Oliveira O. (2008) Desafios: Geologia. Rio Tinto. Edições ASA.Web1 (2010) http://domingos.home.sapo.pt/estruterra_3.html. Consultado el 20.02.10.Web2 (2010) http://www.google.com/search?hl=pt-PT&biw=1024&bih=545&gbv=2&site= search&tbm=isch&sa=1&q=modelo+da+Terra&btnG=Pesquisar&aq=f&aqi=&aql=&oq=. Consultado en 20 de febrero de 2010.505

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