Ensenyar física

Ensenyar física és l'encàrrec que la societat ens ha fet. Què vol dir, ensenyar física? Ensenyar com es comporta la natura? Descriure tota mena de fenòmens als quals posem noms i cognoms? Resoldre tota mena d'enunciats que arribin a les nostres mans? Capacitar els nostres alumnes per sobreviure sota condicions adverses com Robinsons? Bé... Aquests podrien ser una part dels nostres objectius. Però ensenyar física va més enllà. La física és una construcció intel·lectual que va evolucionant al llarg del temps. Un dels ingredients fonamentals d'aquesta construcció són les matemàtiques. Ensenyar física és també ensenyar a fer servir les matemàtiques per expressar situacions. I, en aquest sentit, ensenyar física és, també, ensenyar a estructurar la ment per tal d'afrontar situacions molt diverses.

La física classifica, mesura i analitza conjunts de fenòmens naturals que posteriorment estructura utilitzant les matemàtiques, enunciant lleis, principis i postulats, i desenvolupant a partir d'aquests tota mena de lemes i teoremes. Tots aquests conjunts acabaran conformant teories. Aquestes teories hauran de contenir, com a resultats possibles, el conjunt de fenòmens analitzats, a la vegada que en prediuen de nous de manera que la teoria pugui, possiblement en un futur, acabar sent errònia. Com agrada dir, una bona teoria física ha de ser falsable. Així com a finals del segle XIX la comunitat científica estava convençuda que la física, amb la mecànica de Newton i l'electromagnetisme de Maxwell al capdavant, havia arribat a la fi, actualment es pensa que no és previsible que cap teoria pugui optar al títol de teoria absoluta. Sembla que el més raonable és pensar que les diferents teories “bones” tenen uns rangs de validesa. Hom no ha deixat de fer servir la mecànica newtoniana pel fet que actualment hi ha teories que arriben més enllà, com la relativitat especial i general i la mecànica quàntica. La majoria de ginys actuals de tota mena funcionen dissenyats utilitzant la mecànica newtoniana fent servir interaccions descrites per l'electromagnetisme no (gaire) relativista. Però no només des d'un punt de vista pràctic (per fer coses) són útils les teories clàssiques no relativistes. Bona part dels conceptes que utilitza la física han estat concebuts i desenvolupats en el marc de la mecànica clàssica no relativista. Si pretenem que una part dels nostres estudiants algun dia puguin esdevenir enginyers relativistes o informàtics quàntics els haurem d'haver ensenyat mecànica clàssica no relativista. És a dir, els haurem d'haver ensenyat, si fa o no fa, els conceptes de física que estem ensenyant fa bastants anys.

Així, el que caldria esperar del professorat de física de les nostres escoles, instituts i universitats és que a la vegada que mostren als alumnes la naturalesa física dels fenòmens reals del món que ens envolta, ajudin a bastir, en la ment dels estudiants, un edifici intel·lectual farcit de conceptes bàsics i duradors que seran suport de futurs i més elaborats conceptes.
Aquestes dues tasques, que haurien de ser complementàries, no sempre semblen anar de costat.

Les teories científiques, també les físiques, no es fan com qui fa una novel·la. La construcció del seu edifici lògic i conceptual pot durar anys, fins i tot segles. Així hom acaba distingint entre la història d'una teoria i la teoria pròpiament dita. La teoria pròpiament dita seria la construcció lògica i conceptual tal com està en l'actualitat. És aquesta teoria, la que volem transmetre als nostres alumnes. És l'estructura lògica i conceptual en la versió més actualitzada, la que més servirà als nostres estudiants com a suport d'altres teories i futurs desenvolupaments. La història d'una teoria està molts cops farcida de contradiccions lògiques i mancances conceptuals. És completament normal, ja que la teoria passa per fases en les quals es generen fàcilment debats o es troben fenòmens que semblen caure fora del seu rang d'aplicació. Revisions posteriors podran enfortir la teoria abraçant els nous fenòmens i donant llum en els debats.
Això és el que ha passat amb la mecànica clàssica no relativista des que Newton enuncià les seves tres lleis fins als nostres dies; també, i potser més clarament encara, des que Coulomb enuncià la seva llei de força electrostàtica i passant, entre molts altres, per Maxwell enunciant les seves equacions, que abracen el magnetisme i els fenòmens no estacionaris. La relativitat i, encara més, la quàntica han passat i estan passant per estadis semblants de desenvolupament.

Un recurs pedagògic reconegut és el d'explicar una teoria física seguint el camí que ha portat al seu desenvolupament més o menys final. La idea és, si fa o no fa, fer reviure als nostres alumnes les situacions i reptes que van patir els científics, fent que els alumnes entomin com a propis, o fins i tot proposin, les solucions que en el seu moment varen trobar els científics.
Ara, fer servir aquest recurs no vol dir de cap manera que estiguem explicant les teories físiques com si fos història. A l'aula expliquem allò que anomenem “les lleis de Newton”, però això no vol dir que expliquem què va dir Newton pels volts de 1687. Hem d'explicar el que diuen els postulat bàsics de la mecànica clàssica no relativista, postulats que procurarem enunciar a partir de conceptes més o menys pròxims al quotidians (força, massa, inèrcia, velocitat, acceleració). Potser renunciarem, en els primers estadis, deixant-t'ho per a la universitat, a enunciar els postulats a partir de conceptes menys quotidians (coordenades generalitzades, funcionals, accions, lagrangianes, moments generalitzats, hamiltonians...). És per això que basem la mecànica clàssica no relativista en les lleis de Newton. Millor dit, en la versió del segle XXI de les lleis de Newton.

Un altre recurs pedagògic evident és el de fer sevir la realitat. Evident però a cops enganyós. La realitat no es comporta exactament com diuen les teories. Com a molt la realitat està d'acord, dins d'uns marges raonables, amb els resultats que aquestes teories prediuen. Un exemple típic del que diem és el de partícula. A la mecànica clàssica no relativista s'introdueix, en els primers estadis del seu desenvolupament, el concepte de partícula com una entitat que té quantitat de moviment (massa inercial, posició i les derivades temporals) però no moment angular intrínsec. Aquesta mancança de moment angular intrínsec és pretesa i permet a la teoria desenvolupar el concepte de sòlid rígid com a conjunt de partícules que mantenen invariable les distàncies relatives. El moment angular intrínsec del sòlid rígid així construït prové de la suma de moments angulars orbitals de cadascuna de les partícules constituents del sòlid. Si les partícules constituents del sòlid tinguessin moment angular intrínsec el sòlid rígid podria tenir moment angular intrínsec malgrat que no efectués cap moviment de rotació!
El problema sorgeix quan equiparem les partícules que empra la teoria amb les que ens trobem en la realitat. Les partícules macroscòpiques reals (granets de sorra, boles de billar, pedres, planetes sencers...) és clar que poden girar sobre si mateixes. Són equiparables al sòlid rígid que preveu la teoria. Però, en els casos en què no giren o en què el seu gir és negligible, són un bon model de partícula, tal com la descriu la teoria, i, per tant, aquests bocins de realitat esdevenen un molt bon recurs pedagògic per il·lustrar un concepte que, de fet, és previ al concepte de sòlid rígid.

Tot això ens ve al cap per comentar que ensenyar és difícil. A cops pot semblar que simplifiquem massa les coses i ens allunyem de la realitat. O que no som prou fidels als fets històrics. I segurament qui faci aquesta apreciació pot tenir raó perquè, com hem intentat explicar, no són la realitat ni els fets històrics, l'objectiu principal quan estem a mig camí en les nostres explicacions físiques. Ensenyar no és fàcil i acontentar a tothom pot arribar a ser impossible, però els que ens hi dediquem, com a col·lectiu, som del tot conscients de la cruïlla d'objectius diversos que conflueixen en aquesta tasca.

ISSN: 1988-7930 DL:  B-31773-2012   Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Octavi Plana, Jaume Pont i Santi Vilchez
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

Recursos de Física col·labora amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)