Maxwell lab: integración curricular en el área de ciencias para generar visualizaciones electromagnéticas y fortalecer las iniciativas STEM

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La enseñanza y comprensión del electromagnetismo requiere de una amplia abstracción, es por ello que debemos realizar actividades que ayuden a los estudiantes a asimilar y relacionar mejor el concepto.

Por Francisco Javier Delgado Cepeda

Durante los primeros semestres de la formación profesional de los ingenieros es común encontrar que los conocimientos que se imparten en cada una de las materias están desvinculados entre sí ya que son abordados de forma independiente. Si a esto le añadimos que los temas de aprendizaje tienen cierto grado de abstracción y complejidad, el resultado es que pocos alumnos harán suyos estos conocimientos. El electromagnetismo es una área de la Física que requiere de cierta abstracción en los temas que maneja y las matemáticas que utiliza.

El campo magnético que rodea a la tierra es quizás el elemento electromagnético más representativo y sensible que existe de forma natural, pero al no ser visible por el ojo humano, su comprensión, cuantificación y utilidad puede parecer algo complejo y escapar a la mayoría de las personas. También, dentro de la atmósfera existen fenómenos meteorológicos electromagnéticos como las tormentas; y en una escala menor, como son las plantas y los animales, el campo magnético puede estimular su crecimiento y en algunos animales como las aves les permite orientarse para hacer grandes migraciones sobre la tierra. Así mismo en términos de la tecnología que usamos en el día a día como los dispositivos móviles también utilizan elementos eléctricos y magnéticos para funcionar. En el área de la salud se aplican estos conceptos para la detección temprana de algunas enfermedades como el cáncer a través de dispositivos nanotecnológicos que emplean fenómenos electromagnéticos.

Los estudiantes desarrollaron una aplicación visual interactiva para comprender conceptos como el campo eléctrico, campo magnético, voltaje y el movimiento de cargas eléctricas. En la naturaleza estos conceptos no son observables a simple vista, solo podemos ver sus efectos, de ahí la importancia de esta actividad integradora.
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La enseñanza y comprensión del electromagnetismo es muy importante porque está presente en nuestra vida diaria y ecosistema, aunque también requiere de una amplia abstracción. Por ello, recientemente realizamos con otros profesores colaboradores en el campus Estado de México, un programa basado en el desarrollo de visualizaciones científicas en el área de electromagnetismo. La experiencia se denominó Maxwell-lab, en honor del físico James Clerk Maxwell, quien a finales del siglo XIX obtuvo las ecuaciones que describen el electromagnetismo.

Diseñamos una actividad donde alineamos los contenidos y temas que son comunes a tres materias: matemáticas, física y programación. En esta actividad los estudiantes desarrollaron una aplicación visual que sirve para comprender conceptos como son el campo eléctrico, el campo magnético, el voltaje y el movimiento de cargas eléctricas, los cuales para poder ser simulados y visualizados requieren del uso de conceptos de cómputo científico mismos que fueron representados en animaciones interactivas que explotaban las matemáticas subyacentes y métodos numéricos para poder resolver los procedimientos de representación y visualización. En la naturaleza estos conceptos como tal no son observables a simple vista, solo podemos ver sus efectos, de ahí la importancia de esta actividad integradora.

Con Software como Mathematica y Matlab los alumnos hicieron un programa para conocer cómo se mueven las cargas eléctricas alrededor del campo magnético, ver las partículas sobre las trayectorias del campo magnético, masas, cargas eléctricas, posiciones e intensidades de las corrientes eléctricas.

Los alumnos utilizaron un software de visualización científica, Mathematica y Matlab donde desarrollaron un programa para poder modificar ciertos parámetros y conocer cómo se mueven las cargas eléctricas alrededor del campo magnético, ver las partículas sobre las trayectorias del campo magnético, masas, cargas eléctricas, posiciones, intensidades de las corrientes eléctricas, de tal manera que en su conjunto reproducen visualmente los conceptos abstractos del electromagnetismo, que representa el trabajo de alta comprensión de los alumnos. Para lograr esto, los alumnos debieron comprender las matemáticas involucradas en el proceso para poder plasmar en la simulación estos conceptos teóricos del electromagnetismo. Esta práctica generó entonces una amplia comprensión y dominio de los temas abstractos del curso en apoyo de los métodos tradicionales de enseñanza en la disciplina.

Esta actividad se desarrolló durante un semestre y la experiencia les permitió a los estudiantes comprender la complejidad de su aplicación y cómo se integran diferentes disciplinas en el ámbito ingenieril  para la resolución de problemas, un vacío frecuente en las carreras de ingeniería ya que en los planes de estudios no siempre se generan espacios adecuados de índole integradora entre disciplinas científicas. Por ello quiero invitar a los profesores a seguir explorando en el diseño de actividades que incentiven la curiosidad en nuestros alumnos, mejoren su comprensión y provoquen un efecto creativo en su aprendizaje.


Acerca del autor
Francisco Delgado (fdelgado@itesm.mx) es profesor investigador del Tecnológico de Monterrey, campus Estado de México. Es doctor en física y ha trabajado en innovación educativa en la ciencia y la ingeniería.