Fenómenos Físicos y Químicos en Primaria: Planificación de Experiencias Educativas

El Aprendizaje de los Fenómenos Físicos y los Cambios Químicos. Planificación y Realización de Experiencias para el Estudio de Propiedades, Características y Comportamiento de la Materia y Energía

Para el desarrollo del tema seguiremos el siguiente índice:

• 0. Introducción
• 1. El Aprendizaje de los Fenómenos Físicos y los Cambios Químicos
  • 1.1. Fenómenos físicos y químicos
    • 1.1.1. Conceptos físicos básicos
    • 1.1.2. Conceptos químicos básicos
  • 1.2. La energía y su transformación
  • 1.3. Aproximación al trabajo científico
  • 1.4. Materia y energía en el Currículo de Educación Primaria
    • 1.4.1. Competencias del Currículo
    • 1.4.2. Objetivos
    • 1.4.3. Contenidos
    • 1.4.4. Criterios de Evaluación y Estándares de Aprendizaje Evaluable
• 2. Planificación y Realización de Experiencias para el Estudio de Propiedades, Características y Comportamientos de la Materia y Energía
  • 2.1. Experiencias propuestas para 1º y 2º de Educación Primaria
  • 2.2. Experiencias propuestas para 3º y 4º de Educación Primaria
  • 2.3. Experiencias propuestas para 5º y 6º de Educación Primaria
• 3. Conclusión y Reflexión Personal
• 4. Bibliografía y Webgrafía

Introducción

El tema que vamos a desarrollar necesita de un doble encuadre: por un lado, la Orden ECI/592/2007, de 12 de marzo, la cual regula el temario oficial de oposición de Educación Primaria y por otro, los contenidos que se incluyen desarrollan el Decreto 54/2014, de 10 de julio, por el que se establece el Currículo de Educación Primaria en la Comunidad Autónoma de Castilla-La Mancha (en adelante, Decreto 54/2014).

El ser humano vive dentro de un sistema físico formado por materia que interactúa entre sí.

Este tema expone los conocimientos básicos, que principalmente de la disciplina de la Física y la Química, van apareciendo de manera progresiva en los distintos cursos de Educación Primaria. Se desarrollan tres conceptos fundamentales como son: materia, energía e interacción entre materia y energía.

Durante la etapa de la Educación Primaria estos conceptos se enfocan desde perspectivas globalizadoras en los primeros cursos, y de forma más específica y progresiva en los cursos restantes de la etapa.

Es necesario introducir, también, los métodos propios de la ciencia: el método científico. Este método se extrapola y adapta para que el alumno aprenda a aprender en el resto de las áreas de conocimiento.

Este tema está relacionado, básicamente, con el tema 7 y en menor medida, con el 8 y el 9, donde se desarrollan contenidos de las Ciencias de la Naturaleza y Ciencias Sociales.

Es de vital importancia reconocer los fenómenos físicos y los cambios químicos para comprender la totalidad del temario, lo vemos a continuación.

1. El Aprendizaje de los Fenómenos Físicos y los Cambios Químicos

En la etapa de Educación Primaria, se utilizan los Contenidos de la Física y la Química para la enseñanza de los Elementos Transversales contenidos en el artículo 10 del Real Decreto 126/2014, de 28 de febrero, por el que se establece el Currículo básico en la Educación Primaria (en adelante, Real Decreto 126/2014) y en el artículo 2.8 del Decreto 54/2014.

Toda transformación o cambio que experimenta un cuerpo recibe el nombre de fenómeno; dependiendo de la naturaleza del cambio, a continuación veremos, que estos pueden ser de dos tipos: fenómenos físicos o químicos.

1.1 Fenómenos Físicos y Químicos

Fenómenos físicos: el que experimenta una sustancia en el que no se altera su naturaleza o su composición fundamental. Por ejemplo, el paso de la corriente a través de un conductor.

Fenómenos químicos: aquel que experimenta una sustancia en el que se altera su composición o su naturaleza. Por ejemplo, la reacción de oxidación de un metal.

1.1.1 Conceptos Físicos Básicos

La Física es la ciencia experimental que estudia los fenómenos físicos y las leyes por las que estos se rigen. Ejemplos de fenómenos físicos son la atracción de los planetas, el movimiento de un cuerpo, la fusión del hielo, la atracción entre los imanes, cualquiera de los cambios de estado, romper una hoja de papel… Las propiedades físicas de un cuerpo se detectan con los sentidos y con instrumentos de medida. Ramas fundamentales de esta ciencia son la Mecánica, la Termodinámica, la Electricidad y el Magnetismo, la Óptica… Magnitud Física es toda propiedad de la que un cuerpo posee una cierta cantidad y que por lo tanto se puede medir. Por ejemplo, la longitud, la masa, el tiempo, la temperatura… son magnitudes físicas. El Sistema Internacional de medidas se estableció con el fin de que en todos los países se usara el mismo patrón para que los resultados fueran fácilmente entendibles en cualquier parte del mundo. En España se adoptó en 1965.

1.1.2 Conceptos Químicos Básicos

La Química es la ciencia experimental que estudia los cambios químicos y las leyes que los rigen, la disciplina que estudia la materia y sus transformaciones. Fenómenos o transformaciones químicas son los cambios que experimentan las sustancias en los que se altera su naturaleza o composición fundamental. Se le denomina reacción química y es todo proceso en el que una o varias sustancias se transforman en otras diferentes. Ejemplos de fenómenos químicos son: la combustión u oxidación, un papel al quemarse, la fertilización de un cultivo, la depuración de las aguas… Las ramas de la Química son: Química inorgánica y la Química orgánica.

1.2 La Energía y su Transformación

La energía es un ente físico real y tangible, una propiedad asociada a todos los cuerpos y que se manifiesta por los cambios físicos y químicos que ocurren en la naturaleza.

Todos los cuerpos, tan solo por el hecho de estar constituidos por materia, contienen energía. El principio fundamental de conservación de la energía es: “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”. Esto implica dos características de la energía:

• La energía que posee un cuerpo puede ser de diferentes tipos.
• La energía se manifiesta de diferentes formas y puede variar de un momento a otro, lo que se pierde en un tipo de energía se gana en otro (transformaciones de energía).

Existen diferentes tipos de energía:

• Energía potencial: la que posee un cuerpo como consecuencia del lugar que ocupa en el sistema físico en el que se encuentra. Por ejemplo, una maceta suspendida en un balcón.
• Energía cinética: la que posee un cuerpo como consecuencia del estado de movimiento dentro del sistema físico en el que se encuentra. Por ejemplo, una bala de cañón al ser disparada.
• Energía térmica: la que posee un cuerpo como consecuencia del movimiento de las partículas que lo constituyen.
• Energía eléctrica: la que posee un cuerpo como consecuencia de la acumulación o el movimiento de sus cargas eléctricas. Por ejemplo, el rayo de una tormenta.
• Energía electromagnética: es la transportada por las ondas electromagnéticas, y que puede interpretarse como la energía que transporta el fotón, cuya principal característica es que puede propagarse en el vacío sin necesidad de soporte material alguno. Por ejemplo, la energía solar.
• Energía química: es la derivada de las reacciones químicas. Por ejemplo, el cambio de color en una reacción de oxidación.
• Energía nuclear: es la almacenada en los núcleos de los átomos y que se libera por su fusión o fisión. Por ejemplo, la energía liberada de un reactor nuclear.

El hombre en su desarrollo ha aprendido a utilizar los recursos energéticos. Estos recursos energéticos existentes en la naturaleza son lo que se conocen como Fuentes de Energía. Las principales fuentes de energía son:

• Energía solar: la derivada de la energía electromagnética del Sol y puede ser térmica o fotovoltaica.
• Energía geotérmica: la encerrada en el interior de nuestro planeta.
• Energía eólica: la energía mecánica que posee el viento.
• Energía hidráulica: la que se puede obtener del movimiento de las mareas, de las olas, de las corrientes de los ríos o del agua en los embalses.
• Combustibles fósiles: la energía encerrada en los materiales orgánicos fosilizados. Por ejemplo, el petróleo.
• Biomasa: la obtenida a partir de los seres vivos.

Las energías se pueden clasificar en:

• Renovables: aquellas que la propia naturaleza mantiene y que son por tanto ilimitadas.
• No renovables: dependen del consumo de un recurso natural. Por ejemplo, los combustibles fósiles.

1.3 Aproximación al Trabajo Científico

Las Ciencias disponen el trabajo utilizando como instrumento el llamado método científico. La aplicación de este método implica el paso por una serie de etapas o estadios. Estos son:

1. Definición del problema que existe.
2. Formulación de una hipótesis o respuesta que intenten explicar dicha cuestión.
3. Evaluación de la hipótesis mediante la obtención de datos. Los datos se pueden obtener a través de:
   • Método observacional: el observador no interviene en el fenómeno y se limita a medir las magnitudes que operan en el fenómeno.
   • Método experimental: el estudio de un fenómeno generado por el observador en el que existen unas variables controladas por él, con el fin de saber cómo influye el cambio en cada una de ellas en resultado final.
4. Recopilación e interpretación de datos.
5. Formulación de teoría.
6. Repercusiones de la evaluación de hipótesis mediante el método científico. Deben surgir nuevas hipótesis alternativas.

1.4 Materia y Energía en el Currículo de Educación Primaria

De forma genérica, los alumnos de Educación Primaria deben ir adquiriendo progresivamente a lo largo de los diferentes cursos las habilidades, estrategias y conocimientos propios del lenguaje científico.

El aprendizaje de los fenómenos físicos y los cambios químicos puede y debe abordarse ya desde el inicio de la etapa, siguiendo una secuencia progresiva que se adapte a las posibilidades y necesidades del niño.

Específicamente, los aspectos que pueden trabajarse en cada uno de los cursos son:

• Cursos 1º y 2º: debemos promover y estimular la participación activa del alumno interactuando con el entorno físico. El alumno debe partir de su propia experiencia para poder entender el mundo que les rodea.
• Cursos 3º y 4º: aquí son capaces de hacerse preguntas que reflejan su inquietud por conocer el mundo que les rodea y por saber las leyes que lo rigen. Además, el alumno empieza a incorporar el conocimiento a través de la observación y juego a hechos de su vida real.
• Cursos 5º y 6º: se deben preparar para que los conocimientos y habilidades adquiridas en los cursos anteriores les sirvan para profundizar en el manejo del método científico de forma rutinaria, incorporarlo definitivamente en su pensamiento y fusionando todas las áreas de conocimiento.

Trabajaremos desde una perspectiva constructivista del aprendizaje, siguiendo las pautas de la normativa actual. La metodología será adaptada al nivel de desarrollo de los alumnos, favorecedora de principios de intervención educativa:

• Partir del nivel de desarrollo del alumno.
• Favorecer la construcción de aprendizajes significativos.
• Promover el desarrollo de la capacidad de “aprender a aprender”.
• Contribuir al establecimiento de un clima de aceptación mutua y de cooperación.
• Dotar a las actividades de un carácter lúdico.
• Incentivar una intensa actividad por parte del alumnado.
• Tener en cuenta el enfoque globalizador.

Para situarnos un poco más en el tratamiento que este tema tiene en la Educación Primaria, estudiaremos los elementos curriculares que nos competen.

1.4.1. Competencias del Currículo

Según el Decreto 54/2014, las Competencias del Currículo son las capacidades para aplicar de forma integrada los contenidos propios de cada enseñanza y etapa educativa, con el fin de lograr la realización adecuada de actividades y la resolución eficaz de problemas complejos.

La normativa curricular, el Real Decreto 126/2014, el Decreto 54/2014 y la Orden ECD/65/2015, de 21 de enero, por la que se describen las relaciones entre las Competencias, los Contenidos y los Criterios de Evaluación de la Educación Primaria, la Educación Secundaria Obligatoria y el Bachillerato, establecen la necesaria contribución de todas las áreas al desarrollo de las Competencias Clave, que serán las siguientes: Comunicación Lingüística, Competencia Matemática y Competencias Básicas de Ciencia y Tecnología, Competencia Digital, Aprender a Aprender, Competencias Sociales y Cívicas, Sentido de Iniciativa y Espíritu Emprendedor y Conciencia y Expresiones Culturales.

Desde el tema que nos ocupa se desarrollarán especialmente las Competencias Básica en Ciencia y Tecnología y la de Aprender a Aprender. No obstante, este campo contribuye al desarrollo de todas las Competencias Clave.

En este caso, debemos conseguir el desarrollo del Perfil de Área y Competencial del alumnado a través del conjunto de Estándares de Aprendizaje Evaluables de las diferentes áreas que se relacionan con una misma Competencia.

1.4.2. Objetivos

Según el Decreto 54/2014, los Objetivos son los referentes relativos a los logros que el alumnado debe alcanzar al finalizar el proceso educativo.

El área de Ciencias de la Naturaleza contribuye de una manera más específica al desarrollo de los siguientes Objetivos de la Educación Primaria, según el Decreto 54/2014:

• a) Conocer y apreciar los valores y las normas de convivencia, aprender a obrar de acuerdo con ellas, prepararse para el ejercicio activo de la ciudadanía y respetar los derechos humanos, así como el pluralismo propio de una sociedad democrática.
• b) Desarrollar hábitos de trabajo individual y de equipo, de esfuerzo y de responsabilidad en el estudio, así como actitudes de confianza en sí mismo, sentido crítico, iniciativa personal, curiosidad, interés y creatividad en el aprendizaje, y espíritu emprendedor.
• d) Conocer, comprender y respetar las diferentes culturas y las diferencias entre las personas, la igualdad de derechos y oportunidades de hombres y mujeres y la no discriminación de personas con discapacidad.
• h) Conocer los aspectos fundamentales de las Ciencias de la Naturaleza, las Ciencias Sociales, la Geografía, la Historia y la Cultura.
• i) Iniciarse en la utilización, para el aprendizaje, de las tecnologías de la información y la comunicación, desarrollando un espíritu crítico ante los mensajes que reciben y elaboran.
• k) Valorar la higiene y la salud, aceptar el propio cuerpo y el de los otros, respetar las diferencias y utilizar la educación física y el deporte como medios para favorecer el desarrollo personal y social.
• l) Conocer y valorar los animales más próximos al ser humano adoptar modos de comportamiento que favorezcan su cuidado.
• m) Desarrollar sus capacidades afectivas en todos los ámbitos de la personalidad y en sus relaciones con los demás, así como una actitud contraria a la violencia, a los prejuicios de cualquier tipo y a los estereotipos sexistas.

1.4.3. Contenidos

Según ESCAMILLA Y LAGARES, los Contenidos son el elemento de la planificación curricular que desarrolla y concreta las intenciones. Son un medio imprescindible para conseguir, según el grado de abstracción/concreción del programa el desarrollo de capacidades, habilidades y destrezas.

Los Contenidos que están relacionados con la Física y la Química, aparecen dentro del área de Ciencias de la Naturaleza, según el Real Decreto 126/2014, en el Bloque 4: Materia y energía y, según el Decreto 54/2014, en el Bloque 4: Materia y energía y en el Bloque 5: la Tecnología, objetos y máquinas.

1.4.4. Criterios de Evaluación y Estándares de Aprendizaje Evaluables

Por un lado, los Criterios de Evaluación permiten valorar la consecución de Objetivos y Competencias. Los Criterios de Evaluación se relacionan con los Objetivos, Competencias y Contenidos, atendiendo siempre al desarrollo mental del alumnado y a su evolución psicopedagógica.

Por otro lado, los Estándares de Aprendizaje Evaluables son los especificadores de los Criterios de Evaluación que permiten definir los resultados de aprendizaje, y que concretan lo que el alumno debe saber, comprender y saber hacer en cada área. Por ejemplo, dentro del Bloque 4: Materia y energía, nos encontramos con el Estándar 4.1. Identifica las principales formas de energía.

Una vez tratados los elementos curriculares, pasaremos a la planificación de experiencias prácticas que podemos trabajar en el día a día del aula.

2. Planificación y Realización de Experiencias para el Estudio de Propiedades, Características y Comportamiento de la Materia y la Energía

Tan importantes como el conocimiento son las habilidades que el alumno debe adquirir y la planificación para que sean adquiridas de forma progresiva, puesto que va a permitir al alumno interactuar con el medio de manera eficaz, útil y responsable. Se enumeran aquí algunas de las experiencias que pueden contribuir a la consecución de las habilidades marcadas para la Educación Primaria. Estas experiencias son algunos ejemplos que cada maestro puede modificar para adecuarse a alumnos en concreto.

2.1 Experiencias Propuestas para 1º y 2º de Educación Primaria

Las experiencias propuestas deben ser sencillas y de realización rápida ya que las características del alumnado así lo precisan. Todos los experimentos propuestos deben estar relacionados con el entorno del alumno así como el empleo de los materiales y objetos con los que convive habitualmente.

Experiencia: congelar agua:

• Finalidad: que el alumno aprenda diferentes formas de encontrar el agua en la naturaleza, además de hacerle notar una de sus propiedades: el volumen.
• Escenario docente: se realiza en el laboratorio escolar y debe incluirse en la Unidad en la que se estudia el agua y el aire.
• Materiales necesarios: tres botellas de plástico transparente, agua y un congelador.
• Desarrollo: el alumno llenará cada una de las botellas con niveles diferentes marcando de forma visible. Introducirán las botellas en el congelador de manera vertical. Una vez pasado el tiempo, se sacan y se marca con otro color el nivel que ha alcanzado el hielo. Después, se dejarán las botellas a temperatura ambiente con el fin de que el alumno vea como el hielo va pasando de nuevo a ser agua. Posteriormente, se hablará de qué ha ocurrido y por qué y cada uno relatará su experiencia.

2.2 Experiencias Propuestas para 3º y 4º de Educación Primaria

El proceso normal de maduración del alumno permite una mayor independencia a la hora de desarrollar distintos experimentos a la vez que su nivel de conocimiento y la mayor curiosidad permiten aumentar el grado de complejidad de las prácticas.

Experiencia: separación de mezcla de arena y limaduras de hierro:

• Finalidad: que el alumno conozca y use la propiedad que tienen algunas sustancias de ser atraídas por un imán llamado magnetismo.
• Escenario docente: se realizará en el laboratorio escolar y dentro de la Unidad de materiales, en la parte correspondiente a mezclas homogéneas y heterogéneas.
• Materiales necesarios: arena, limaduras de hierro, un imán, un colador y una cubeta de agua.
• Conocimientos previos: las propiedades de la materia.
• Desarrollo de la práctica: los alumnos trabajarán en grupos y el docente les presentará una bandeja con una mezcla que ellos tendrán que separar. Cada alumno escogerá un sistema para intentar separar la mezcla: por el tamaño de la partícula (colador), por la densidad (cubeta de agua) o por el magnetismo (imán).

Experiencia: construcción de una palanca:

• Finalidad: que el alumno conozca el concepto de fuerza, en este caso, la fuerza de la gravedad y aplicarlo a su entorno. También, se pretende que distinga entre fuerzas de acción a distancia y fuerzas de contacto.
• Escenario docente: se puede realizar en el aula y se llevará a cabo en el momento en el que se expliquen las máquinas y herramientas o el concepto de fuerza.
• Materiales necesarios: una tabla de madera, un hilo resistente, dos platillos y pequeños cuerpos de distintos pesos.
• Conocimientos previos: concepto de herramienta y el de fuerza de acción a distancia o de contacto. Para la perfecta comprensión de la experiencia debe manejar el concepto de masa y la diferencia entre peso y masa; así como el concepto de máquina y de sus tipos y dentro de la palanca sus tipos.
• Desarrollo en la práctica: el alumno pegará un platillo en cada extremo de una tabla de madera y después colgará la tabla del hilo de tal manera que se pueda mover de forma transversal. Después, el alumno tendrá que poner cuerpos en cada platillo de tal manera que se equilibre la balanza. Esto lo hará en distintos casos variando en cada uno de ellos la longitud de los brazos de la balanza.

2.3 Experiencias Propuestas para 5° y 6° de Educación Primaria

Los alumnos se encuentran en condiciones de aplicar su curiosidad, conocen el entorno y deben planificarse las actividades con el objeto de desarrollar la aplicación de un método científico en la resolución de problemas y en la interacción con el medio.

Experiencia: cálculo del volumen de un cuerpo regular:

• Finalidad: que el alumno sea capaz de trasladar los conocimientos de geometría a la realidad que les rodea y reconocer su utilidad. Es decir, el objetivo específico es calcular el volumen de una habitación de una casa y expresarlo en unidades del sistema métrico decimal.
• Escenario docente: se puede realizar en el aula y se debe llevar a cabo de forma paralela a la explicación de las propiedades de la materia.
• Materiales necesarios: una cinta métrica de 10 metros, una escalera suficientemente larga como para que los alumnos puedan llegar hasta el techo alargando el brazo, papel y lápiz para apuntar resultados.
• Conocimientos previos: el sistema métrico decimal y en concreto, el metro y sus submúltiplos además de saber operar con ellos. Además, el alumno debe conocer las figuras geométricas así como el cálculo de superficies y volúmenes.
• Desarrollo de la práctica: los alumnos se agrupará en grupos de cinco y deberán medir con la cinta métrica cada una de las tres dimensiones de la habitación o el aula. Una vez hechas las medidas, los alumnos anotarán en el papel cada uno de ellas en el dibujo que habrán hecho previamente. Se deberá calcular el volumen de la habitación sabiendo que esta es un paralelepípedo recto de base rectangular.

Experiencia: cálculo del volumen de cuerpos irregulares:

• Finalidad: que el alumno aprenda a usar métodos alternativos para conocer resultados.
• Escenario docente: se realiza en el aula y debería llevarse a cabo como complemento de la experiencia anterior.
• Materiales necesarios: un cuerpo irregular que puede ser una piedra, una probeta graduada y agua.
• Conocimientos previos: lo mismo que los de la experiencia anterior.
• Desarrollo de la práctica: después de que el profesor cree la duda entre los alumnos de saber cuál es el volumen del cuerpo y de pedir que se hagan aproximaciones a su valor, el docente hará la práctica delante de toda la clase. Una vez calculado el volumen se puede calcular el de otros cuerpos de uso habitual como un sacapuntas, un zapato o un balón.

Conclusión y Reflexión Personal

Bibliografía y Webgrafía

• Abella Alias, R. (2010). Hacemos ciencia en la escuela. Barcelona: Graó.
• Garrido, J., Perales, F. y Galdon, M. (2013). Ciencia para educadores. Madrid: Pearson.
• Pujol i Villalonga, R. (2010). Didáctica de las Ciencias en la Educación Primaria. Madrid: Síntesis.
• Legislación vigente, citada anteriormente.
• http://www.cienciainteractiva.orq/enlaces.htm