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Visor

IES Las Lagunas. La mirada infrarroja: una sorprendente visión de la ciencia

Revista Digital Educamadrid

Fecha de publicación 20 de febrero de 2015

Resumen

La tecnología infrarroja es una técnica desarrollada en las últimas décadas, que detecta la radiación infrarroja haciéndola visible a nuestros ojos. Actualmente tiene numerosas aplicaciones y en este proyecto se aprovecha como recurso didáctico para la asignatura de Física y Química. Los modelos básicos de cámaras infrarrojas hacen posible la sorprendente visualización de importantes principios físicos y químicos. Gracias a esta moderna tecnología, el estudiante consigue una mejor comprensión de todos aquellos procesos relacionados con la materia, la energía y el calor.

Primer premio en el Certamen de Ciencia en Acción 2015, dentro de la categoria de Demostraciones de Física.

Experiencias

Nivel. ESO y Bachillerato

Autor

Fernando Ignacio de Prada Pérez de Azpeitia

IES Las Lagunas (RivasVaciamadrid)

Autor

1. JUSTIFICACIÓN

La termografía es una moderna tecnología que permite captar y hacer visible la radiación infrarroja. En  los últimos años se ha convertido en una tecnología clave y asequible con múltiples aplicaciones en numerosos sectores, desde el diagnóstico de eficiencia energética en las instalaciones industriales y de edificios, hasta en los diagnósticos médicos, investigación y seguridad.

Así que, ¿por qué no aprovechar esta nueva tecnología e introducirla en la enseñanza de la Ciencia, con el objetivo de  mejorar la calidad de enseñanza y aumentar la motivación del alumnado?

El elevado coste de las cámaras de infrarrojos hacía casi imposible su aprovechamiento en los centros de enseñanza secundaria, dadas las actuales  limitaciones en sus presupuestos. Sin embargo, hoy en día, los modelos básicos de cámaras térmicas son mucho más asequibles. Esto hace factible su adquisición y aplicación en el aula, permitiendo  la sorprendente visualización y comprensión de importantes  principios físicos y químicos que no sería posible de otra manera.

En este proyecto de innovación didáctica se enseñan los principios fundamentales de la medición infrarroja, las leyes en las que se basa, los procedimientos de medición, el fundamento de la tecnología infrarroja y, sobre todo, las aplicaciones más interesantes, tanto  desde el punto de vista didáctico, como desde del punto de vista profesional. Todo ello a partir de simulaciones e investigaciones de fenómenos cotidianos, que resultan sorprendentes bajo esta nueva forma de ver la Ciencia.

Alumnas

 La termografía es un atractivo recurso para la  enseñanza de la Ciencia.  

2. OBJETIVOS

La finalidad de este trabajo es dar a conocer e introducir en los centros de enseñanza las posibilidades que ofrecen las cámaras de infrarrojos en el aula.

Con este fin, se establecen los siguientes objetivos:

  • Acercar la tecnología termográfica a los estudiantes para que aprendan sus principios básicos y la utilicen en investigaciones científicas y técnicas.
  • Comprender mejor los cambios que se producen en la materia, relacionados con el calor y la temperatura, a partir de la visualización de fenómenos físicos y químicos invisibles a nuestros ojos.
  • Enriquecer  las estrategias educativas aportando nuevas metodologías que mejoren la calidad de la enseñanza.
  • Elaborar nuevos materiales didácticos útiles para el profesorado de  ESO y Bachillerato en la asignatura de Física y Química.
  • Aumentar el interés de los estudiantes  hacia la Ciencia, mediante actividades atractivas, y generar futuras vocaciones científicas.
  • Colaborar con la iniciativa del Año Internacional de la Luz 2015, mediante actividades que difundan las tecnologías basadas en la luz y su importancia en el desarrollo de la Ciencia.

3. UNIDADES DIDÁCTICAS

El  proyecto consta de  siete unidades didácticas.

Unidad 1. ¿Qué es y como funciona una cámara termográfica? Partes y funcionamiento de una cámara térmica. Interpretación y tratamiento de imágenes térmicas con programas informáticos.

Unidad 2. Leyes básicas  de la tecnología infrarroja. Espectro electromagnético y radiación infrarroja. Ley de Stefan-Boltzamann. Ley de Wien.

Unidad 3. Temperatura, calor y radiación infrarroja. Temperatura y teoría cinético-molecular de la materia. Estados de la materia. Temperatura y leyes de los gases.

Unidad 4.  Visualización de la transmisión del calor. Cambios de estado. Equilibrio térmico. Calor específico. Transmisión del calor: conducción, convección y radiación.

Unidad 5. Termodinámica y termografía. Transformaciones de energía. Trabajo y calor. Primer principio de la termodinámica.

Unidad 6.  Termoquímica. Calor y procesos de disolución. Calor y reacciones químicas. Leyes de los gases.

Unidad 7.  Aplicaciones de las cámaras térmicas. Diagnóstico medioambiental del instituto. Inspección de sistemas y cuadros eléctricos. Inspección de fugas térmicas y de filtraciones de agua.

Tratamiento informático de un retrato térmico

Tratamiento informático de un retrato  térmico.

4. METODOLOGÍA

El trabajo realizado se basa en un conjunto de experiencias e investigaciones diseñadas para que sean atractivas, sencillas y de fácil preparación. Dependiendo de los espacios y cursos, se han utilizado metodologías diferentes:

  • En el aula y durante las clases, como una nueva visión de fenómenos científicos. Esto facilita la comprensión y adquisición de contenidos en grupos de 3º y 4º de la ESO,  y 1º y 2º de bachillerato en la asignatura de Física y Química. Las experiencias  en el aula visualizadas con la cámara termográfica, sirven además para motivar, despertar el deseo de aprender y aumentar el interés del estudiante  hacia la investigación científica. También permite paliar, en parte, la eliminación de los desdobles de laboratorios.
  • En el laboratorio, durante las clases de Ampliación de Física y Química de 4º de ESO, como experiencias e investigaciones,  aplicando las etapas propias del método científico.
  • Una vez completadas las investigaciones, se ha comunicado en dos frentes el trabajo realizado:
  • Exponiendo mediante carteles ilustrativos el trabajo realizado por los estudiantes  en un espacio común como es el vestíbulo, y mostrándolo a toda la comunidad educativa del Instituto.
  • Divulgando el proyecto y dándolo a conocer más allá del Instituto, en ferias de Ciencia donde los propios alumnos explican  el trabajo a otras personas. Los alumnos, cuando enseñan, es cuando realmente aprenden.

Montaje de la exposición en el vestíbulo del instituto.

Montaje de la exposición en el vestíbulo del instituto.

5. TEMPORALIZACIÓN

Una vez comprobada la falta de materiales didácticos relacionados con la técnica termográfica, y lo interesante que puede ser su uso, se adquiere en el año 2013 una cámara térmica y se realiza un curso intensivo para aprender a utilizarla.

  • Fase previa: durante el año 2013, se inicia el trabajo de analizar las posibilidades didácticas que permite una cámara termográfica, creando una base de unidades didácticas para ponerlas en práctica durante el siguiente  curso 2013/14.
  • Fase de desarrollo: a lo largo del curso 2013/14, se desarrolla con diferentes grupos y niveles el proyecto en el aula y laboratorio, poniendo en práctica las actividades diseñadas en las unidades didácticas.
  • Fase divulgativa: al final del curso 2013/14, se realiza la exposición “La Mirada Infrarroja” en el vestíbulo del instituto, mostrando los trabajos realizados por los estudiantes participantes. De esta forma, toda la comunidad educativa puede conocer el trabajo realizado y observar la Ciencia bajo una visión inédita y  sorprendente.

Estela de calor resultante

Estela de calor resultante de la transformación del trabajo de rozamiento en energía calorífica, realizado sobre una goma de borrar.

6. ACTIVIDADES DEL PROYECTO

Las unidades didácticas se basan en  investigaciones que responden a una serie de preguntas y cuestiones, como  las siguientes:

¿Qué es una cámara infrarroja y en qué se diferencia de una cámara de fotos normal?, ¿qué información proporciona una imagen térmica?, ¿en qué leyes físicas se basa  la tecnología infrarroja?, ¿en qué se diferencia una cámara de visión nocturna y una termográfica?, ¿qué diferencia hay entre un termómetro de infrarrojos y una cámara de infrarrojos?, ¿qué es la huella térmica y en qué propiedad física se basa?, ¿qué utilidad tiene la cámara infrarroja en la búsqueda de desaparecidos?, ¿para qué utilizamos los rayos infrarrojos en la vida cotidiana?, ¿se refleja el calor igual que la luz?, ¿para qué utilizan los bomberos las cámaras de infrarrojos?, ¿cómo analizar la capacidad aislante de un material?, ¿es posible  ahorrar energía gracias a la tecnología infrarroja?, ¿cómo  detectar las deficiencias en un sistema de calefacción?, ¿por qué se calientan los aparatos electrónicos?,  ¿en qué se diferencia una bombilla incandescente de otra  de bajo consumo?, ¿qué efecto tienen  las prendas térmicas?, ¿qué utilidad tienen las cámaras de infrarrojos en el control de la salud?,  ¿es posible ver a través de objetos opacos?, ¿todos los cuerpos se calientan por igual?,  ¿qué transferencias de energía tienen lugar al golpear un gummy con un martillo?, ¿cuál es el fundamento térmico del botijo?, ¿es posible llegar a ver el rozamiento?, ¿cómo se enciende una cerilla?,  ¿qué sucede cuando comprimimos un gas rápidamente?, ¿por qué es peligroso tocar la broca de una taladradora después de ser utilizada?,  ¿cómo funcionan  las bolsas de calor y frío instantáneo utilizadas en el deporte?, ¿cómo es el gradiente térmico de una llama?, ¿por qué al poner bajo la llama un globo lleno de agua no arde?, ¿por qué los extintores de gas carbónico llevan una “trompeta” de plástico a la salida del gas?.

De cada investigación se han generado los respectivos materiales en forma de fichas didácticas, cada una con los siguientes apartados:

  • Fundamento científico: explica brevemente  las leyes científicas y conceptos básicos implicados en cada una de las actividades.
  • Materiales utilizados: fácilmente disponibles en cualquier laboratorio de los centros de enseñanza y el resto fácilmente adquirible y asequible.
  • Procedimiento experimental: con  los pasos que hay que seguir en cada actividad para que se pueda  reproducir  sin dificultad.
  • Aplicación de la tecnología infrarroja: indica la mejor forma de obtener las imágenes térmicas y  su posterior  tratamiento con programas específicos.
  • Resultados y conclusiones: recoge  los datos tomados y el análisis de los mismos. En algunos casos, se ha utilizado la hoja de cálculo.
  • Analiza y reflexiona: cuestiones para comprobar el grado de comprensión de cada una de las actividades realizadas.
  • Ejercicios de aplicación: actividades que permiten comprobar que se ha comprendido lo aprendido y profundizar en los conocimientos adquiridos.

Análisis de procesos exotérmicos y endotérmicos

Análisis de procesos exotérmicos y endotérmicos.

7. DIVULGACIÓN DEL PROYECTO

Con el fin de divulgar el trabajo realizado más allá del Instituto, y coincidiendo con la celebración del Año Internacional de la luz y de las tecnologías basadas en la luz (proclamado por la ONU para el 2015), el trabajo se muestra en diferentes eventos científicos divulgativos.

El primero, en el V Finde Científico, punto de encuentro para profesores, estudiantes y público interesado en la Ciencia. El evento, organizado por la Fundación Española para la Ciencia y Tecnología (FECYT) en colaboración con el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología (MNCYT) y Obra Social La Caixa, se celebró los días 18 y 19 de octubre de 2014 en la nueva sede del MNCYT de Madrid en Alcobendas. Los estudiantes de Bachillerato que participaron en el proyecto, fueron los encargados de mostrar el trabajo y hacer de profesores frente a los numerosos interesados que se acercaron por el stand.

 El segundo, en la XIV edición de la Semana de la Ciencia en Madrid, organizada por la Dirección General de Universidades e Investigación de la Comunidad de Madrid, y que tiene como principal objetivo involucrar a los ciudadanos en la ciencia y la tecnología. En este caso, los participantes tuvieron la oportunidad de conocer el trabajo sobre las aplicaciones y ventajas de la termografía infrarroja a través de un taller que había sido realizado en el propio Instituto.

El tercero, en las V Jornadas Con ciencia en la escuela, organizadas por FUHEM y el Círculo de Bellas Artes, en colaboración con FECYT, donde los alumnos y profesores comparten experiencias e intercambian sus descubrimientos.

Participación en el V Finde Científico. Octubre 2014.

Participación en el  V Finde Científico. Octubre 2014.

8. EVALUACIÓN Y CONCLUSIONES

Mediante las actividades que integran el proyecto, se ha logrado generar un mayor interés del estudiante hacia la Ciencia, estimulando su curiosidad y ganas de aprender y, de esta forma, progresar en su aprendizaje científico.  En muchos casos, este tipo de proyectos cambian la percepción que tiene el alumno de la asignatura de Física y Química, dejando de ser una materia aburrida y sin aplicaciones en su entorno cotidiano. Visualizando la Ciencia bajo la perspectiva infrarroja,  se consigue mejorar la comprensión de todos aquellos fenómenos físicos y químicos relacionados con  la materia, la temperatura y el calor.

A partir de esta sorprendente perspectiva, se consigue aumentar la motivación y el interés del alumnado hacia la Ciencia en general, y hacia la Física y Química en particular, y se obtienen buenos resultados. Así se refleja en el mayor número de estudiantes que han elegido las asignaturas asociadas al Departamento de Física y Química para el próximo curso (2014-15), incluidas las optativas de Ampliación de Física y Química de 4º de ESO y la  de Técnicas Experimentales de Laboratorio de 1º de Bachillerato.

Es un gran estímulo para el profesor comprobar la sorpresa e interés que muestran los estudiantes durante sus investigaciones, lo que aumenta la motivación del docente por continuar aprendiendo, diseñando y transmitiendo  atractivos recursos educativos.

ANEXO

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Fecha de publicación: 20 de febrero de 2015