Construcción de modelos para emular / justificar propiedades de los materiales.
Reconstrucción de modelos a partir de información suministrada por el docente

¿Por qué elegimos este tema?

La interpretación de fenómenos de cambio de estado o de disolución de la materia a través de modelos de partículas en movimiento es una estrategia empleada frecuentemente para introducir el concepto de discontinuidad de la materia. En este ciclo, no obstante, conseguir que los alumnos se apropien de un modelo no continuo de la materia es un proceso arduo, entre otras causas debido a que el grado de abstracción que exigen los modelos planteados ante lo concreto de los fenómenos observados genera obstáculos conceptuales difíciles de sobrepasar. En particular, para que usted pueda introducir a los alumnos en el ejercicio de elaboración y utilización de modelos en Ciencias Naturales (modelizar) es útil comenzar trabajando con actividades de cambio de escala (tanto cualitativas como cuantitativas).

Es esperable que sus alumnos conceptualicen mejor las propiedades de algunos materiales si conocen su estructura. Como no siempre es factible visualizar esas estructuras, se construye una representación de la misma llamada genéricamente modelo. En primera instancia, los alumnos advertirán que existen modelos ampliados de objetos pequeños y modelos reducidos de grandes objetos. Es deseable, asimismo, que se reconozca que el vínculo entre un fenómeno (o un objeto) y su modelización es una relación de analogía; una consecuencia de ello es que lo aprendido o deducido operando sobre el modelo, sirve para entender el fenómeno o el objeto representado por él. Debe advertirse, no obstante, que aunque un modelo sea muy útil para describir cierta propiedad específica quizá no resulte tan eficaz con otras propiedades del mismo objeto o fenómeno; esa situación no invalida el modelo construido. Por último, puede mostrarles que la modelización es un procedimiento científico de gran utilidad.

Secuencia didáctica

• Puede comenzar invitando a sus alumnos a construir el modelo de un sistema con estructura y propiedades bien conocidas macroscópicamente y luego continuar estudiando las cualidades del modelo y compararlas con las del sistema que representa. Por ejemplo, observar un trozo de madera con una lente de aumento; luego, dividirla con un formón por su largo y su través, y repetir la observación. En esta instancia, usted puede detenerse a considerar qué es una fibra y discutir con sus alumnos cuáles materiales están constituidos por fibras sujetas por un aglomerante (ya sean naturales o artificiales). Para continuar, puede sugerir la construcción de un modelo de la madera sobre la base de diferentes tipos de fibras y aglomerantes (por ejemplo, fideos y cola, lana y cemento de contacto, alambre de cobre y parafina, fibra de vidrio y resina poliéster, etc.). Sometiendo esos productos a distintos esfuerzos (tensión, compresión, torsión y flexión), los alumnos podrán comparar su conducta con el comportamiento de la madera ante el mismo esfuerzo y seleccionar el modelo que más se asemeje al original.
  
• En una segunda etapa de aproximación a la modelización, los alumnos pueden intentar una justificación de algunas propiedades de un sistema, partiendo de un modelo que usted les suministre. A continuación, damos un par de ejemplos:
  • Modelado de la viscosidad de diferentes líquidos. Observando (y registrando) el tiempo que demora en salir por un orificio hecho en un paquete de fideos de distintas formas (por ejemplo, municiones, tallarines, caracolitos). Usted puede señalar que debido a sus formas hay fideos que se deslizan entre sí más fácilmente que otros; de este modo, ayudaría a sus alumnos a construir una primera idea acerca de diferentes tipos de partículas y de sistemas de partículas. No obstante lo útil de esta actividad, vale recordar que la viscosidad de los líquidos depende de las interacciones entre sus moléculas y no de las interacciones de éstas con el orificio por el que fluyen.
  • Modelado de la fragilidad de un cristal. Presentando la idea de que los bordes rectos naturales de los cristales y sus planos limpios de fractura se entienden mejor analizando un modelo de partículas alineadas geométricamente, según un patrón regular, usted puede demostrarlo exhibiendo la modelización de un cristal armada también con fideos, ahora adheridos por pegamento, sometiéndolo a cargas de compresión y cizalladura.
• Una tercera etapa puede iniciarse lanzando a los alumnos el desafío de desarrollar un modelo que dé cuenta de ciertas propiedades de un material. Por ejemplo, puede sugerir que modelicen una estructura que reproduzca la maleabilidad o ductilidad de un metal. Una posible consigna puede ser: "El modelo debe poder adelgazarse aplicándole una fuerza, sin que por ello se quiebre". Esta actividad le permitirá conocer las anticipaciones de los alumnos para luego retomarlas para ampliarlas y enriquecerla. También podrán trabajar sus habilidades de planificación, de ejecución y de constatación.
• Un posible cierre para esta secuencia de actividades puede darse al proponer a los alumnos el estudio de un proceso inverso a los trabajados anteriormente, esto es: imaginar un modelo posible únicamente partiendo de las propiedades observables de un fenómeno o de un objeto. Para eso, puede emplear una estrategia de caja negra, pidiéndoles que representen con un dibujo la estructura interna que suponen que tiene un laberinto por el que rueda una bolita. Es de esperar que los alumnos hayan manipulado antes esa caja de cartón herméticamente cerrada, donde usted habrá armado con anterioridad un sencillo laberinto con trozos de telgopor u otros elementos, dejando libre en su interior una pequeña bolita.
  
• Finalmente, es conveniente organizar una instancia para debatir y ordenar las ideas con todo el grupo de alumnos. Algunas preguntas orientadoras para esas charlas, pueden ser: ¿Para qué hicimos todo esto? ¿Qué aprendimos acerca de los modelos? ¿A qué situación trabajada se parecería la construcción de un modelo sobre el interior de la Tierra? Más tarde, podrá sistematizar sus respuestas y argumentos y aportarles más información sobre el empleo de otros modelos en las Ciencias Naturales.

Sugerencias para seguir trabajando

La idea de modelo y modelización podrá ser retomada en múltiples ocasiones, por ejemplo al estudiar fenómenos de disolución, de interacciones electrostáticas, de oscilaciones (como en la Propuesta Nº 3, Sobre las ondas) o para representar objetos de distinta escala: estructura de una célula, estructura interna de la Tierra (como en la Propuesta Nº 6, Lentos movimientos, lentos cambios), etc.

Sugerencias didácticas

Una introducción al tema

Desde la más remota antigüedad, los seres humanos extraen materiales de la naturaleza con el fin de aplicarlos a objetos que respondan a sus deseos y sus necesidades. Hace miles de años se descubrió que el barro moldeado podía endurecerse mediante la cocción. Con el tiempo se empezó a trabajar el vidrio y a fundir metales dando comienzo a una evolución que hoy ha cobrado dimensiones extraordinarias.
El estudio y la aplicación de los materiales involucra actualmente diferentes miradas. Se trata, efectivamente, de una actividad en la que participan tecnólogos y científicos provenientes de distintas disciplinas. En el desarrollo de los procesos de producción de bienes y servicios ha sido fundamental la contribución de la denominada ciencia y tecnología de materiales. Su aporte se expresa hoy tanto en la optimización de los materiales existentes como en el logro de otros nuevos.
Una de las clasificaciones usuales en esa disciplina distingue a los materiales en cuatro grupos básicos: metales, cerámicos, polímeros y compuestos.
Otra clasificación tiene en cuenta el origen de los materiales: artificiales si resultan de algún proceso de transformación y naturales si se encuentran directamente en el medio natural. Estos últimos pueden ser diferenciados, a su vez, en renovables o no renovables. Los primeros son generalmente de origen animal o vegetal y se forman en tiempos relativamente cortos; los segundos requieren tiempos prolongados, como ocurre con el carbón o el petróleo.
También puede considerarse si los materiales son reciclables, o sea, que existe la posibilidad de volver a utilizarlos en nuevos productos; o biodegradables, que son los que pueden transformarse en materiales más simples gracias a la acción de microorganismos que los reintegran al ambiente.

Son varios los textos de química y tecnología que dedican varias páginas al tema de los materiales. Las miradas propuestas por unos y otros son algo diferentes. Para una persona interesada en adquirir una perspectiva amplia del tema, las dos son complementarias por lo que se sugiere instar a los alumnos a buscar información adicional.