Diseño e Implementación de una Secuencia Didáctica Para la Enseñanza de la Entropía, Desde la Teoría de la Información, a Estudiantes de Undécimo Grado de la I. E. D Alberto Lleras Camargo

Abstract

El concepto de entropía no suele enseñarse en los curso de física en educación media, a pesar de ser parte del programa. Investigaciones previas muestran que los docentes suelen presentarlo cualitativamente como una medida del desorden y cuantitativamente como una integral que relaciona dos cantidades abstractas: el calor y la temperatura, pero no obtienen de los estudiantes una comprensión del concepto, lo que suelen achacar a una pobre fundamentación matemática de los estudiantes. En contraste, la enseñanza de la entropía desde la teoría de la información permite construir una imagen mental precisa del concepto que permite realizar cálculos de manera exacta. Este trabajo presenta una secuencia didáctica para enseñar el concepto de entropía desde la teoría de la información y el modelo cinético molecular. La secuencia se divide en tres módulos. El primero describe el modelo cinético molecular de la materia y desarrolla los conceptos de temperatura, energía cinética y potencial a su interior. El segundo desarrolla los conceptos de presión, trabajo en gases ideales, calor, y ciclos termodinámicos (Carnot y Stirling). El módulo tres desarrolla los conceptos de información y entropía, basados en los módulos anteriores. La propuesta fue implementada con alumnos de grado once, aplicando pruebas pre y pos-test para cada una de las sesiones de clase. El análisis estadístico de los resultados muestra una mejora significativa en el desempeño de los estudiantes y en su comprensión del concepto de entropía, lo que hace de la secuencia una propuesta valiosa para su enseñanza.

Abstract Entropy is a concept that is rarely learned in high school, despite it is a usual part of the curriculum. Previous didactic research show that teachers usually show the concept either as qualitative measure of disorder or quantitatively as an integral relating two abstract quantities: heat and temperature, but neither them leave the students to build the concept properly, a result that is usually justified by clamming a poor mathematical background. In contrast, teaching entropy from information theory builds a clear and precise image of the concept and allows to solve quantitative problems without integrals or logarithms. This work introduces a didactic sequence for the teaching of entropy in high school, based on information theory and the molecular description of matter. The 8-sessions sequence divides into three modules. The first one describes matter at the molecular level and develops the concepts of temperature, kinetic and potential energy. The second one develops the concepts of pressure, work in an ideal gas heat and thermal cycles (Stirling and Carnot). The third one introduces the concepts of information and entropy. The sequence was implemented with 11th graders in a preexperimental design with pre- and posttest for each session. The statistical analysis show a significative improvement in students grades and a better comprehension of the concept of entropy, making this proposal a valuable tool for its teaching in high school.