La enseñanza de conceptos fundamentales de mecánica cuántica a alumnos de graduación en Física

Abstract

En este trabajo hemos estudiado la adquisición y retención de conocimiento explícito y las operaciones de pensamiento implícitas en Mecánica Cuántica que han sido hechas por cinco estudiantes de graduación en Física matriculados por primera vez en una asignatura de Mecánica Cuántica. Exponemos los resultados de la implementación de un abordaje didáctico para la enseñanza de conceptos de Sistema Físico, Variables Dinámicas, Estado de un Sistema Físico y Evolución Temporal que hemos delineado para facilitar el aprendizaje significativo, basado en las teorías del aprendizaje de D.P. Ausubel y de G. Vergnaud. Concluimos que hubo evidencias de: cambio considerable de variables de la estructura cognitiva; similitudes (para los conceptos de Sistema Físico y de Variables Dinámicas) y diferencias (para los conceptos de Estado y de Evolución Temporal) en la adquisición de conceptos por parte de los estudiantes; que cuatro de los cinco estudiantes adoptaran procesos más cercanos del polo significativo que del polo mecánico del aprendizaje; inadecuación del significado atribuido por los estudiantes al concepto de probabilidad, antes, durante y después de la instrucción, lo que muestra una tendencia a ser un obstáculo epistemológico natural que debe ser aclarado con la presentación de situaciones-problema asociadas a la Mecánica Cuántica y que el conocimiento previo tiene un papel crucial en la adquisición,en la retención y en la resolución de problemas, si es tenido en cuenta.

In this work we have studied the acquisition and retention of explicit knowledge and the implicit thought operations on Quantum Mechanics made by five undergraduate physics students that were enrolled for the very first time in a Quantum Mechanics course. We bring out the results of the implementation of a didactic approach for the teaching of concepts of Physical System, Dynamical Variables, State of a Physical System and Time Evolution we have built to facilitate the achievement of meaningful learning, based on the D.P.Ausubel and G. Vergnaud learning theories. We concluded that there were evidences of: considerable change in cognitive structure variables; raising of some epistemological obstacles in the learning process; similarities (for the concepts of Physical System and of Dynamical Variables) and differences (for the concepts of State and Time Evolution) in the acquisition of concepts by the students; more meaningful than rote learning processes adopted by four of the five students; inadequacy of the meaning, carried by the students, regarding the concept of probability, before, during, and after the instruction, what shows a tendency of being a natural epistemological obstacle that has to be clarified by the presentation of problem-situations associated to Quantum Mechanics; the crucial role that previous knowledge has in the acquisition, retention, and problem-solving, if it is taken into account.

Neste trabalho estudamos a aquisição e a retenção de conhecimento explícito e as operações de pensamento implícitas em Mecânica Quântica, realizadas por cinco estudantes de graduação em Física matriculados pela primeira vez em uma disciplina tratando do assunto. Trazemos os resultados da implementação de uma abordagem didática para o ensino de conceitos de Sistema Físico, Variáveis Dinâmicas, Estado de um Sistema Físico e Evolução Temporal que delineamos para facilitar a aprendizagem significativa, baseada nas teorias de aprendizagem de D.P.Ausubel e de G.Vergnaud. Concluímos que houve evidências de: mudança considerável de variáveis da estrutura cognitiva; semelhanças (para os conceitos de Sistema Físico e Variáveis Dinâmicas) e diferenças (para os conceitos de Estado e de Evolução Temporal) na aquisição dos conceitos pelos estudantes; que quatro dos cinco estudantes adotaram processos mais próximos do polo significativo que do polo mecânico da aprendizagem; inadequação do significado atribuído pelos estudantes ao conceito de probabilidade, antes, durante e depois da instrução, o que mostra uma tendência de ser um obstáculo epistemológico natural que deve ser esclarecido pela apresentação de situações-problema associadas à Mecânica Quântica; que o conhecimento prévio tem papel crucial na aquisição, na retenção e na resolução de problemas, se ele é levado em conta.

Nous étudions l'acquisition et la rétention des connaissances explicites et des opérations de la pensée implicites, de la mécanique quantique réalisées par cinq étudiants de troisième cycle en physique, d'abord inscrit dans une discipline de la Mécanique Quantique. Nous apportons les résultats de la mise en oeuvre d'une approche didactique de l'enseignement des concepts de système physique, variables dynamiques, l'état du système et évolution temporelle qui nous avons décrit pour faciliter l'apprentissage significatif, basé sur les théories de l'apprentissage et D.P.AusubelG.Vergnaud. Nous concluons que les preuves étaient de: changement considérable de variables de structure cognitive; similitudes (pour les concepts de système physique et les variables dynamiques) et des différences (pour les concepts d'Etat et évolution temporelle) dans l'acquisition des concepts par les élèves; quatre des cinq les étudiants ont adopté des processus de l’apprentissage plus significatif que mécanique; l'insuffisance de la signification attribuée par les élèves à la notion de probabilité, avant, pendant et après l'instruction, ce qui montre une tendance à être un obstacle naturel épistémologique qui doit être clarifié en présentant des situations problématiques liées à la mécanique quantique, que la connaissance préalable a rôle crucial dans l'acquisition, la rétention et la résolution de problèmes, si elle est prise en compte.