Sabers que s'aprenen

#MAT.1. Aplicació del model cinètic de la matèria i la teoria cineticomolecular a partir d’observacions sobre la matèria per explicar-ne les propietats, els estats d’agregació i els canvis d’estat, i la formació de barreges i dissolucions.

#MAT.2. Realització d’experiments relacionats amb els sistemes materials per conèixer-ne i descriure’n les propietats, la composició i la classificació.

#HC.1 Utilització de metodologies pròpies de la investigació científica per identificar i formular qüestions, elaborar hipòtesis i contrastar-les experimentalment.

#HC.2. Disseny i realització de treball experimental i emprenedoria de projectes de recerca per resoldre problemes mitjançant l’ús de l’experimentació, la indagació, la deducció, la recerca d’evidències o el raonament logicomatemàtic per fer inferències vàlides a partir de les observacions i l’elaboració de conclusions pertinents i generals que vagin més enllà de les condicions experimentals, per aplicar-les a nous escenaris.

#HC.3 Ús de diversos entorns i recursos d’aprenentatge científic, com ara el laboratori o els entorns virtuals, fent servir de manera correcta els materials, els productes i les eines tecnològiques i tenint en compte les normes d’ús de cada espai per assegurar la conservació de la salut pròpia i comunitària, la seguretat en xarxes i el respecte al medi ambient.

Concrecions dels sabers curriculars

• Interpretació qualitativa de les lleis dels gasos: P-V, P-T i V-T segons el model cinètic. [MAT.PRO6]

• Realització de càlculs amb les lleis dels gasos fent servir fórmules i raonaments de proporcionalitat directa o inversa. [MAT.PRO7]

• Formulació de preguntes investigables i avaluació de la seva idoneïtat en relació amb el fenomen i el tipus de dades que s’obtenen. [HC. ESS]

• Discussió de la relació entre les variables implicades en el disseny d’experiments, especialment entre variables dependents i independents. [HC. ESS]

• Utilització responsable d’entorns virtuals i recursos digitals per a l’aprenentatge i la recerca científica, com ara simuladors i laboratoris virtuals.

Interacció amb altres blocs de sabers

#INT.3. Descripció dels efectes de les forces a partir d’observacions de fenòmens quotidians o de situacions simulades en el laboratori (fluids).

#EN.7. Anàlisi i aplicació dels mecanismes i efectes de la transferència i la conducció de calor sobre els sistemes materials (fluids i sòlids), i l’assoliment de l’equilibri tèrmic, en situacions quotidianes i de rellevància ambiental i social.

Idees clau que es construeixen

[MAT.PRO4]. Les propietats dels materials s’expliquen amb el model cineticocorpuscular.

[MAT.PRO6]. En els gasos ideals, volum, pressió i temperatura estan interrelacionats.

[MAT.COM2]. Tota la matèria està feta d’àtoms, i la manera com aquests es comporten permet explicar moltes propietats dels materials.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

L'aire pot ser líquid? L’empresa Air Liquide és una companyia líder en la comercialització de gasos industrials i mèdics. Aquesta empresa fabrica bombones de nitrogen, oxigen, argó i diòxid de carboni i les ven a hospitals, submarinistes, fàbriques d’extintors, indústries de fluorescents i bombetes, etc. (https://es.airliquide.com/). En aquesta empresa hi treballen molts científics que han de conèixer el comportament dels gasos en les diferents condicions industrials i de laboratori. Per obtenir aquesta informació fan experiments controlats i els interpreten. Les magnituds que descriuen les propietats físiques d’un gas són quatre: pressió, volum, temperatura i quantitat de gas. Per als equips de professionals de l’empresa és molt important conèixer les relacions entre aquestes magnituds per tal d’optimitzar els processos de fabricació i per evitar accidents que posin en risc la vida dels treballadors. Ara imagineu que vosaltres formeu part de l’equip de científics de l’empresa i voleu saber com varien la pressió i el volum d’un gas o com varien la pressió i la temperatura d’un gas (vegeu l’apartat d’adaptacions).

Desenvolupament de l’activitat

En primer lloc, es mostra a l’alumnat el material que farem servir i deixem que el manipuli: xeringa, làmpada incandescent o infraroja, termòmetre i sensor de pressió (digital o analògic). Seguidament, l’alumnat fa prediccions sobre les preguntes inicials abans de dur a terme l’experiment i intenta justificar-les activant els seus coneixements previs. Se’ls anima a fer representacions (“Crec que quan… aleshores…”). Poden emergir concepcions alternatives (com per exemple, que les partícules es dilaten) i serà una oportunitat per revisar-les.

 Un cop fetes les prediccions, l’alumnat duu a terme l’experiment, prenent mesures de com varia una variable respecte de l’altra mentre la tercera es manté constant. Per exemple, escalfa l’aire de la xeringa amb la làmpada i anota valors de temperatura i pressió en una taula mantenint el volum constant. O també, comprimeix o expandeix a mà una xeringa, i fa una altra taula del volum que marca el pistó amb la pressió. Es pot transformar les taules en gràfics.

 A continuació, l’alumnat compara els resultats de l’experiment amb la seva predicció (avaluació reguladora) i justifica els resultats utilitzant el model cineticocorpuscular. Cal posar èmfasi en la diferència entre descriure els resultats o fets (la pressió puja) i interpretar-los fent servir el model (les partícules xoquen més contra les parets i aquesta força contra una superfície és la pressió que fa el gas); és a dir, fer una inferència. Finalment, convé tornar a les preguntes inicials i redactar una conclusió per a cadascuna.

Variacions i suports

L'activitat es pot plantejar de dues maneres, una de més indagativa i l’altra, menys:

1. Proporcionant a l’alumnat la pregunta investigable, el material i el procediment. En aquest cas, l’alumne faria hipòtesis, recolliria dades, les interpretaria i en trauria conclusions.
2. En versió més indagativa, en la qual només es proporciona una pregunta investigable i el material disponible i l’alumnat abans ha de dissenyar l’experiment controlant les variables implicades.

Quant al cicle de l’aprenentatge, aquesta activitat es pot fer servir en dos moments:

1. Fase de construcció de sabers, per introduir a través de l’experiment nous conceptes sobre les propietats dels gasos que seran necessaris per interpretar els resultats.
2. Fase d’aplicació, per aplicar coneixements construïts en una activitat anterior i poder transferir-los a un nou context.

Aquesta activitat permet construir coneixements científics conceptuals (propietats dels gasos i model cinètic) i procedimentals (disseny experimental i treure conclusions). Tanmateix, també es poden construir idees epistèmiques sobre modelització, com per exemple:

1. La diferència entre llei i teoria. L’alumnat acostuma a pensar que una teoria és una hipòtesi, que les teories es converteixen en lleis amb el temps o que una llei és superior a una teoria.
2. La diferència entre observació i inferència. Allò que s’observa són fets i, tant si són quantitatius com qualitatius, depenen dels nostres sentits i instruments de mesura. En canvi, la interpretació dels fets d’acord amb la teoria cineticocorpuscular és una inferència, ja que és una construcció humana que implica donar significat en un marc conceptual escollit.

Pel que fa als suports educatius per a l’educació inclusiva, proposem:

1. Per a l’alumnat amb més dificultats es poden proporcionar bastides com, per exemple, models de resposta d’experiments semblants o iniciadors de frase. També es poden portar materials manipulatius per simular el comportament de les partícules i reduir la part matemàtica a la proporcionalitat directa i inversa, però sense elaborar taules o gràfics.
2. Per a l’alumnat amb més capacitats, se’ls pot demanar que pensin una nova pregunta investigable i quin disseny experimental cal fer per respondre-la. Per exemple, en relació amb la variable massa de gas o tipus de gas.

Quant als mitjans tècnics disponibles, l’activitat es pot plantejar de tres maneres:

1. Amb sensors connectats a un ordinador. Els més coneguts són Multilog, Pasco o Vernier, que generen gràfiques en temps reals.
2. Amb sensors de pressió i temperatura analògics (manòmetre i termòmetre), que donen valors digitals puntuals i, llavors, els gràfics s’han de fer a part.
3. En el cas que falti temps o recursos, l'experiment es pot fer virtualment amb una simulació, anotant valors iguals i fent els gràfics.

Recursos

A l’activitat “Determinació experimental de la relació pressió–volum a temperatura constant”, del projecte Química en Context, es planteja una activitat similar a la que aquí s’ha presentat: http://cesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/FP%20v1.2/FP_3.2.pdf

A l’activitat  “L’empresa Air Liquide” de l’INS Europa, de Cornellà de Llobregat, es planteja una activitat similar a la que aquí s’ha presentat:

Enllaç a activitat de l’institut Europa - L’Hospitalet de Llobregat

Simulador “Gases”, de la plataforma Phet: https://phet.colorado.edu/es/simulations/gases-intro