Journal of Materials Education University of North Texas ISSN (Versión impresa): MÉXICO

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1 Journal of Materials Education University of North Texas ISSN (Versión impresa): MÉXICO 2002 Mary Anne White PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES: DESARROLLO DE UN CURSO COMBINADO DE ESTUDIANTES DE LICENCIATURA/POSGRADO EN CIENCIAS Journal of Materials Education, año/vol. 24, número 1-3 University of North Texas Denton, México pp

2 : (2002) PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES: DESARROLLO DE UN CURSO COMBINADO DE ESTUDIANTES DE LICENCIATURA/POSGRADO EN CIENCIAS Mary Anne White Departamento de Química, Universidad de Dalhousie, Halifax, Nova Scotia B3H 4J3, Canadá, RESUMEN Aquí se describe el desarrollo de un nuevo curso que se enfoque en los principios sobre los cuales se basan las propiedades físicas de los materiales. Este curso se imparte a estudiantes de tercer y cuarto año, junto con lecturas semanales, además de requisitos especiales como un curso propedéutico. Propiedades ópticas, termales, electrónicas, magnéticas y mecánicas de los materiales son los temas que se estudian desde una perspectiva atómica y molecular. Palabras Clave: Curso de licenciatura, curso de posgrado, curso de desarrollo, curso de propiedades. I. INTRODUCCIÓN Los temas relacionados con materiales son de los más interesantes dentro de la ciencia. Sass 1 ha descrito detalladamente el papel que juegan los materiales en el desarrollo de la humanidad, la importancia que éste estudioso muestra por los materiales se encuentra en la publicación. 2-4 La Fundación Nacional Americana de Ciencia (con oficinas en Washington) ha identificado a la ciencia de materiales como una de las dos materias más importantes para el futuro de la investigación científica y el desarrollo económico (la otra materia es la Biotecnología). En una editorial que fue publicada hace ya 25 años explica que la química y los químicos tienen una responsabilidad especial e importante, y muchas oportunidades dentro de la revolución de materiales. 5 Aunque dicha editorial tenía un propósito un tanto personal, ni la química ni otras disciplinas en ciencia han iniciado muchos cursos relacionados con la ciencia de materiales, y los estudiantes de estas áreas no cursan programas de ingeniería de materiales. No obstante, muchos estudiantes de ciencias están interesados en temas que se relacionan con los materiales, especialmente con aquellos que se conectan con la experiencia profesional; además de esto, muchos estudiantes de posgrado en ciencias, especialmente en los programas de química y física, se embarcan en proyectos de investigación dentro del campo de la ciencia de materiales, y algunas de las amplias propiedades de los materiales darían fuertes fundamentos a estos estudios. Es por todas estas rezones que hemos desarrollado una clase que combine a los estudiantes de licenciatura con los de posgrado

3 14 White en la cual se presentan las propiedades de los materiales y los principios que dan base a sus orígenes. II. EL CURSO DE LICENCIATURA Este curso se imparte a estudiantes del tercer año en el departamento de química, enfatiza las propiedades físicas de los materiales las cuales se incluyen: ópticas, termales, electrónicas, magnéticas y mecánicas. Los profesores enseñan este curso en términos de la relación de estructura, y unión de átomos y moléculas de las propiedades de los materiales, aunque se le da mayor importancia a las propiedades físicas, se da una enseñanza de varios tipos de materiales (metales, semiconductores, aislantes, cristales líquidos, cristales, películas Langmuir- Blodgett, coloides y nanomateriales) a través de sus propiedades. El objetivo de aprendizaje del curso es promover el entendimiento de los principios que fundamentan las propiedades físicas de los materiales. Un curso en termodinámica es un prerrequisito para el curso de posgrado, como este curso incluye a estudiantes de diferentes programas como de química, bioquímica, física, ciencias de la tierra e ingeniería, dicho prerrequisito puede ser el primero de varios cursos propedéuticos en otras áreas como termodinámicas, física termal, ciencia de los materiales de la tierra o ingenierías. La estructura del curso es la siguiente: tres clases de 50 minutos a la semana durante un periodo de 13 semanas. En promedio, dos clases a la semana son para lecturas y una es una clase tutoreada Socrática en el cual las aplicaciones de las lecturas se discuten por medio de preguntas guiadas. La descripción de las tutorías con mayor detalle en la referencia. 6 Los mecanismos para calificar, los trabajos escritos, las herramientas para enseñar, ejemplos de lecturas y tareas para la efectividad de este curso de posgrado fueron descritas previamente. 7 La Universidad Dalhouise ofrece este curso desde hace ya una década, éste se sigue acrecentando a través de investigaciones relacionadas con las propiedades de los materiales con un continuo énfasis en los principios básicos que gobiernan las propiedades físicas. Este curso fue recientemente aprobado para integrarlo a un curso de física y a uno de química, y éste acaba de ser designado como curso obligatorio para las áreas de especialidad en física en una revisión del currículo. III. EL CURSO DE POSGRADO En años anteriores, muchos de nuestros estudiante de licenciatura, especialmente en los programas de química y física, se han embarcado en proyectos de investigación que involucran componentes de la ciencia de materiales; aunque estos estudiantes poseen excelentes bases del conocimiento en sus disciplinas tradicionales, la ampliación de su conocimiento en lo que a materiales concierne, así como sus prioridades son limitadas en cierta forma. Muchos de estos estudiantes provienen de programas de estudio en los cuales no se llevan cursos de materiales; por lo tanto, este hueco en la educación debe ser rellenado para mejorar el programa de posgrado. Decidimos combinar el curso de ciencia de materiales del posgrado con el curso de licenciatura y así emplear mejor los recursos existentes y satisfacer las necesidades de los estudiantes de licenciatura, la combinación de alumnos de licenciatura con los de posgrado se convierte en algo común en nuestros programas de estudio, este curso ya se llevó a cabo anteriormente en alumnos de último año exclusivamente, porque queríamos que las clases en licenciatura estuvieran al nivel apropiado que las clases combinadas requieren, pero con algunos requisitos extra para los alumnos de licenciatura. El principal requerimiento era una hora extra de conferencias y exposiciones por semana, mientras que a los estudiantes de posgrado se les daba una introducción a los conceptos generales sobre las propiedades físicas de los materiales, las clases separadas de licenciatura

4 Propiedades Físicas de los Materiales: Desarrollo de un Curso Combinado de Estudiantes de Llicenciatura/Posgrado en Ciencias 15 referentes a estos cursos se dan en niveles más altos. Esto se logró, en parte, por el uso de dos libros de texto; para los alumnos de posgrado: Properties of Materials, 8 en el área de investigación, e Introduction to Solid State Physics 9 para aspectos más detallados, especialmente los concernientes a fonones y celosías dinámicas; éstos son los dos temas principales que se imparten únicamente en los cursos de licenciatura. Tanto a los alumnos de licenciatura como a los de posgrado se les asignaba problemas, los cuales tenían un valor para su calificación final. A los alumnos de licenciatura se les daban los mismos problemas que a los de posgrado y otros problemas de temas más avanzados. Como el número de alumnos que se inscriben al posgrado es reducido (normalmente menos de 10), ha sido posible la asignación de seminarios con una duración de una hora con temas impartidos por los alumnos de posgrado; además de esto, a los estudiantes de posgrado se les pide que entreguen un trabajo escrito de 10 cuartillas con base en lo visto en el seminario. Dicho trabajo tiene que ser entregado pocas semanas después del seminario para así retroalimentar el contenido del seminario. Los trabajos escritos se dejaban a disposición de otros miembros del posgrado, y los estudiantes son responsables de los temas ya que se toman en cuenta para la evaluación de los alumnos en el curso. Los temas típicos de los seminarios se enfocan en las técnicas experimentales para examinar las propiedades físicas de los materiales; y se utilizan textos con información actual. La ampliación de las habilidades comunicativas (oral y escrita) es uno de los objetivos para dar fundamento a este curso. Los alumnos fueron evaluados por medio de dos exámenes durante el semestre, y un examen de tres horas de duración como examen final. Los exámenes parciales eran los mismos para los alumnos de licenciatura como para los de posgrado, pero los finales no eran idénticos. Aproximadamente 70% del examen final tenía teman comunes para ambos cursos y el 30% restante era distinto (con temas más avanzados para los alumnos de niveles más altos). El curso de posgrado en ciencia de materiales se encuentra situado en la categoría clase de química central, esto quiere decir que no hay ningún curso propedéutico como requisito para los alumnos de posgrado, el único requisito es el mismo que para la licenciatura: un curso de introducción a la termodinámica; aunque se requiere una habilidad y conocimiento en matemáticas avanzadas. El posgrado es un antirrequisito, ej. los alumnos que tienen créditos por la licenciatura ya no obtienen créditos por el posgrado; sin embargo, los alumnos de licenciatura pueden sacar ventaja ya que pueden cursar clases avanzadas de posgrado, las cuales tienen relación con temas de materiales. IV. LOS OBJETIVOS DEL CURSO Los cursos para licenciatura y posgrado tienen el objetivo de familiarizar a los estudiantes con la relación que existe entre la estructura y las propiedades de los materiales, con un enfoque de base atómica y molecular. Los dos cursos han sido desarrollados para proporcionar una amplia introducción de los principios físicos, y, especialmente, a través de sus propiedades para así dar una introducción a nuevos materiales que no se encuentran tan fácilmente en otros currículos de ciencia e ingeniería de materiales. El curso de posgrado tiene un objetivo adicional y éste es introducir a los alumnos a las propiedades fonónicas de los sólidos, y reducir el hueco entre la física tradicional del estado sólido y la moderna ciencia de materiales. Con este gran interés en nuevos materiales y sus propiedades, ambos cursos unen el progreso de sus investigaciones y colocan en un lugar común las aplicaciones de los materiales y los principios básicos de la física. Otra de las metas del curso es la introducción al aprendizaje por medio de problemas en una ambiente de quipos. Se ha señalado 10 que esta idea de trabajo en equipos integrados para

5 16 White resolver problemas es mucho más representativa para el ambiente industrial que para el clásico ambiente académico. V. ESTAMOS LOGRANDO NUESTRAS METAS? La manera en la que los estudiantes se están desempeñando en el examen final, en el cual se espera que ellos describan, de manera integral y dentro de contextos nuevos, varios de los diferentes tipos de materiales y sus propiedades, ya que muchos de ellos han aprendido exitosamente a relacionar la estructura y propiedades de los materiales de una forma integrada dentro de nuevos contextos. Todas las clases en el Departamento de Química en la Universidad de Dalhousie se someten a evaluaciones anónimas por parte de los estudiantes, los resultados se muestran a los instructores después de que se han llevado a cabo las evaluaciones finales y se han entregado calificaciones. A pesar estar en un rango alto (normalmente una escala de 4 a 5 puntos) en la carga de trabajo y con un 10 a 15% de alumnos aprobados con calificaciones de 8.5 a 9.0 (A-) o mejores, el curso ha sido evaluado con puntajes altos. Los comentarios escritos por los alumnos indican que ellos encuentran el curso muy interesante e informativo. VI. EL FUTURO Aunque hayamos concentrado nuestros esfuerzos en la investigación de la Ciencia de Materiales en la Universidad de Dalhousie, hemos decidido de manera consciente no tener un departamento de Ciencia de Materiales o un programa a favor de que los estudiantes de ciencias continúen tomando cursos tradicionales de licenciatura tales como los de física y química. Sin embargo, apreciamos que los aspectos de los materiales pueden ser integrados en muchos cursos más, desde el primer año en el que se imparten cursos de ciencias (química de materiales, biomateriales, física y materiales, biología y física respectivamente) hasta mecánica cuántica (ej. discusión de puntos quánticos y nano aparatos). Un esfuerzo especial se puede hacer para integrar experimentos basados en materiales en los laboratorios de licenciatura. Muchos de los nuevos miembros de la planta docente de la facultad de ciencias que han sido contratados están llevando a cabo investigaciones en áreas relacionadas con los materiales, así que estamos buscando un futuro en el desarrollo de nuevos cursos y programas de laboratorio en el área de materiales, con una variedad de perspectivas. RECONOCIMIENTOS Queremos reconocer el apoyo de la Universidad de Dalhousie y de Killam Trusts en el desarrollo de estos dos nuevos cursos. REFERENCIAS 1. S.L. Sass, The Substance of Civilization: Materials and Human History from the Stone Age to the Age of Silicon, Arcade Publishing, Nueva York, R. Cotterill, The Cambridge Guide to the Material World, Cambridge University Press, Cambridge, P. Ball, Designing the Molecular World, Princeton University Press, Princeton, P. Ball, Made to Measure, Princeton University Press, Princeton, W.T. Lippincott, J. Chem. Educ. 53, 203 (1976). 6. M.A. White, J. Mater. Ed., 19, 23 (1997). 7. M.A. White, J. Mater. Ed. 21, 11 (1999). 8. M.A. White, Properties of Materials, Oxford University Press, Nueva York, 1999; también disponible en japonés con el nombre Zairyo Kagaku no Kiso, traducido por A. Inaba, Oxford University Press, Tokyo, C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley and Sons, Nueva York, G.H. Pearson, Industrial Perspective on Materials Chemistry Education in Materials Chemistry: An Emerging Discipline, Sociedad Americana de Química, Washington, 1995.