La Química Física no es una variedad de la Química; es la Química del futuro.

Friedrich Wilhelm Ostwald

Un químico físico es un científico cuya preparación inicial fue en el terreno de la química.

Gilbert W. Castellan

Soy un profesor de fila, que cumplo enseñando lo que me han enseñado a mí, trabajando sin tregua; reuniendo con método cariñoso lo que en torno a mí veo, lo mismo la teoría sólida que el hecho voluble, así el fenómeno indubitable como la hipótesis atrevida; adelantando cada día con el paso lento y seguro de las medianías; construyendo el saber propio con la suma del saber de los demás, y tratando, por último, de que las ideas adquiridas y el sistema con tanta dificultad labrado no sean vanas fábricas de viento y humo, sino más bien una firme estructura de la realidad de mi vida con poderoso cimiento en mi conciencia. El predicador que no practica lo que dice no es predicador, sino un púlpito que habla.

Benito Pérez Galdós, “El amigo Manso”

Marzo de 2003

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Motivación

Un colega, profesor de una disciplina de Humanidades de esta Universidad, nos comentaba en cierta ocasión, con desdeñosa ironía, que la Química no es propiamente una ciencia y que los químicos debíamos de sentir tal complejo que, tratando de guarecernos bajo el paraguas de rigor y prestigio que proporciona la Física, nos habíamos “inventado una asignatura llamada Química Física”, que para él no tenía ninguna razón de ser, que entendía como un híbrido contra natura, un engendro académico injustificable.

Hemos podido constatar que esta opinión está bastante más extendida de lo razonable o deseable entre algunos círculos ilustrados, ignorantes, al parecer, de que tras Lavoisier no cabe hablar de una Química que no se base en los principios de la Física; o, si se quiere, que la Química actual es una disciplina nacida precisamente hermana de la Física, y que nada debe a esa maraña de empirismos y superchería, falta de todo método científico, llamada Alquimia, como aquellos pretenden. El mismo Maxwell opinaba que la Química es una ciencia sin claridad ni rigor, falta de la abstracción necesaria[1]. Y Rutherford se enfadó enormemente cuando le concedieron el premio Nobel de Química, no el de Física como esperaba.

Desde luego, no vamos a defender aquí que Química y Física sean lo mismo. Cada ciencia tiene una metodología con características propias y la aplica a sus objetos de interés con sus particulares fines. Pero casi siempre cabe encontrar un nexo de unión, un terreno común o, si se quiere, de nadie, entre ambas. Así, a la Química no le interesa demasiado el problema físico de la caída de un cuerpo por un plano inclinado, excepto si se consideran las interacciones materiales entre las moléculas del objeto que se desliza y las del plano. Si en la discusión del problema se tuviera en cuenta que existen estas fuerzas intermoleculares para tratar de dar una explicación microscópica que justifique los valores de los coeficientes de rozamiento, ya nos estaríamos moviendo en los terrenos de la Química Física, y esta ciencia tendría mucho que decir.

La discusión sobre estos temas servirá de arranque a este Proyecto docente, que redactamos conforme especifica la Ley (Ley de Reforma Universitaria y Reales Decretos 1988/1984 de 26 de septiembre y 1427/1986 de 13 de junio), para presentar nuestra candidatura a ocupar la plaza de Profesor Titular de Escuela Universitaria de Química Física con la metodología de la enseñanza a distancia convocada a concurso por la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED).

            La provisión de plazas de los Cuerpos Docentes Universitarios requiere, efectivamente, de la presentación del Proyecto Docente que el candidato se propone desarrollar en caso de resultar adjudicatario. Consideramos que, más que una obligación, elaborar un proyecto de este tipo es una ocasión única que se le brinda a quien aspira a ejercer la docencia para que muestre los criterios que considera adecuados de cara a dicha labor y para contribuir con un “grano de arena” a la tradición de estudios y a la comunidad de investigadores en la que desea integrarse.

Esta Memoria se compone de tres partes:

1. Una Discusión general sobre la ciencia y la disciplina universitaria Química Física y cómo estimamos que debe conducirse su enseñanza, particularmente en la UNED.
2. los Programas de las cuatro asignaturas del plan actual de la Licenciatura en Ciencias Químicas que podríamos llamar de Química Física General (Termodinámica Química, Química Física I, Química Física II y Técnicas Instrumentales Fisicoquímicas, de tercero y cuarto de la carrera).
3. Una selección de Bibliografía y Material para el profesor, el investigador y el alumno de Química Física.

El plan detallado de esta obra se expone es este:

I. Discusión

I.1. Qué es la Química Física
      Qué tiene de Física y qué de Química
      El lugar de la Química Física
      Su relación con otras ciencias
I.2. Enseñar Química Física
      ¿El marco o el lienzo?
      El cuadro completo
      Teorías y contenidos de la Química Física
      Orden de los contenidos: ¿lo grande o lo pequeño?
      Lo grande y lo pequeño
      La transmisión del mensaje
I.3. Enseñar en la UNED
      La comunicación básica
      Comunicación de avanzadilla: los tutores
      Comunicación cuasipresencial: virtualización
      Modelos didácticos
      Cómo evaluar en la UNED

II. Programas

II.1. Introducción. Visión general
      Temporalización de los contenidos propuestos
II.2. Programa de Termodinámica Química y Estadística
      Objetivos
      Bibliografía
      Contenidos
II.3. Programa de Química Física I
      Objetivos
      Bibliografía
      Contenidos
II.4. Programa de Química Física II (Cinética y Electroquímica)
      Objetivos
      Bibliografía
      Contenidos
II.5. Programa de Técnicas Instrumentales Fisicoquímicas
      Objetivos
      Bibliografía
      Contenidos
II.6. Bibliografía del proyecto docente

III. Bibliografía / Material didáctico

III.1. Libros
III.1.1. Química Física general
      Manuales recomendables
      Problemas de Quimica Física general
III.1.2. Termodinámica
      A) Clásica
      B) Estadística
III.1.3. Estructura y agregación. Espectroscopía
      A) Química Cuántica
      B) Teoría de grupos y espectroscopía
      C) Propiedades de la materia; fuerzas intermoleculares; estados de agregación; transporte; superficies; macromoléculas
III.1.4. Cinética Química
III.1.5. Electroquímica
III.1.6. Técnicas instrumentales fisicoquímicas
III.1.7. Química computacional
      Matemáticas para químico-físicos
      Software
III.1.8. Química Física Orgánica y Biológica
III.1.9. Tablas de datos
III.1.10. Didáctica
III.2. Revistas
III.3. Vídeos

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I. Discusión

I.1. Qué es la Química Física

            Contra la opinión de aquellos “desorientados” a los que nos referíamos en la Motivación de este Proyecto docente, la Química Física no sólo no es una asignatura “cosmética” en la Licenciatura de Química, sino que nada menos constituye su núcleo. Definiciones de este campo del saber científico hay muchas –tantas como autores, cada uno aportando un matiz–. Para el primer profesor que impartió una disciplina con este nombre, el ruso Lomonósov[2], “es una ciencia que explica, sobre la base de los hechos y experimentos de la Física, aquello que transcurre en los cuerpos mixtos en las operaciones químicas”.

            Repasemos definiciones y opiniones relacionadas de autores más modernos:

• Harold Urey, primer editor del Journal of Chemical Physics, escribía en el número inicial de esta revista que “la frontera entre las ciencias de la Física y la Química ha quedado completamente allanada”[3].
• Slater, en su Introducción a la Química Física (1939), consideraba que la separación de la Física de la Química en su época era un accidente histórico, y que era necesario reunificarlas llamándolas Físicoquímica o viceversa[4].
• Para Laidler y Meiser esta disciplina estudia cualitativa y cuantitativamente, experimental y teóricamente, los principios generales que determinan el comportamiento de la materia, particularmente las transformaciones de unas sustancias en otras[5].
• Atkins opina que la Química Física establece y desarrolla los principios que se usan para explicar e interpretar las observaciones hechas en otras ramas de la Química[6].
• Dykstra considera esta disciplina como “el estudio de los fundamentos físicos de los fenómenos relacionados con la composición química y la estructura de las sustancias”. Y agrega: “es la exploración del mundo de los átomos y las moléculas en términos de leyes físicas fundamentales: es la Física de la Química” [7].
• Para Levine, “la Química Física estudia los principios que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos”. Diferencia esta disciplina de la “Física Química”, la cual define como “faceta de la Química Física que estudia los fenómenos a nivel molecular”[8].
• Según Senent, “la Química como ciencia teórica rigurosa requiere desde el principio de los métodos teóricos y experimentales de la Física, y eso fue el origen de la Química Física y la razón de su nombre”[9].
• Para Vemulapalli (1993) “la Química Física proporciona las bases teóricas de toda la Química y muchos temas relacionados”[10].
• De acuerdo con Guerasimov, es “una rama de la Química (…) limítrofe entre la Química y la Física. Aplicando los métodos teóricos y experimentales de ambas ciencias, así como sus métodos propios, la Química Física se ocupa de la investigación multifacética de las reacciones químicas y de los procesos físicos que las acompañan”. Y agrega: “La tarea fundamental de la Química Física es la predicción con el tiempo de un proceso químico y del resultado final (estado de equilibrio) en las diferentes condiciones, a base de los datos sobre la estructura y propiedades de las moléculas de las sustancias que componen el sistema estudiado”[11].
• Y cerraremos la revista, que podríamos extender tanto como quisiéramos, con una extensa cita de Lesk, dado su interés:

The physical chemists’s understanding of nature, like the physicist’s, usually takes the form of a microscopic model for matter, such as the kinetic theory of gases (…). Predictions of measurable properties from the underlying properties of atoms permit the confrontation of theory and experiment: Physical chemistry builds bridges between the microscopic and macroscopic worlds. Modern methods of investigation involve theories, instrumentation, and computer programs that treat phenomena at a level of detail inaccessible to direct personal observation. At this point physical chemistry begins to deviate from physics. Most physical chemists do not analyze matter in terms of particles smaller than atomic nuclei and electrons. Many physicists prefer not to study a system as complex as seawater because there exist simpler systems that reveal the consequences of the same basic principles, and which can be treated more definitively. Many physical chemists would consider a partial, descriptive, or approximate interpretation of the properties of seawater to be useful and interesting[12].

En cualquier caso, lo que está claro es que la Química Física constituye un cuerpo de estudio completo en sí mismo, que se ocupa de la estructura atómica y molecular de la materia, de sus estados de agregación, de las propiedades relacionadas con la capacidad de transformarse de las sustancias y de los cambios energéticos que ello implica.

Qué tiene de Física y qué de Química

De acuerdo con Urey, Slater y Lesk, la Química y Física no son en esencia dos disciplinas diferentes del saber científico. Ciertamente existen dos carreras universitarias y dos figuras sociales –el físico y el químico–, resultado de la profesionalización emanada de la Universidad, consecuencia a su vez (al menos) del extraordinario aumento del volumen de contenidos vividos los dos siglos pasados. Pero lo atribuimos a una cuestión de conveniencia, de necesaria distribución pragmática del trabajo. Por supuesto que otro factor diferenciador es el distinto sentimiento previo de los futuros practicantes; unos tienen más vocación “física” y otros “química”[13]. En esos términos, el químico físico, sintiéndose atraído por ambos polos, se acaba quedando a gusto más o menos en el centro de la balanza.

Esta división del estudio y del trabajo ha consagrado al dominio de la Física aspectos muy concretos que un químico no toca en su formación académica, y viceversa[14]. La sociedad reclama profesionales que se ocupen de problemas tan dispares como la naturaleza de los quarks o la síntesis más barata y menos contaminante de nanotubos de carbono. Y será la preparación académica previa la que servirá de criterio a la hora de escoger a un físico o a un químico para que solucione una u otra cuestión.

Ello no implica que no puedan invertirse los papeles preasignados; al contrario, a menudo sucede así, sobre todo en la investigación. Además, las compartimentaciones de las carreras académicas ni son ni pueden ser completamente nítidas en algunos aspectos. Así, en Física se estudian las sustancias materiales de una manera no muy diferente a como lo hace la Química. Y la Física Atómica y Molecular comparte mucho con la parte de estructura de la Química Física. Por ello, es bastante común que los físicos intervengan en el estudio de problemas netamente químico, sobre todo cuando a los mismos cabe aplicar herramientas físicas bien establecidas. Y al revés, la Física no suele ocuparse de problemas que entrañen demasiados grados de libertad porque ni pueden abordarse rigurosa y matemáticamente con leyes generales conocidas, ni su análisis da pie a la deducción de otras nuevas (por ahora)[15]. La Química, sin embargo, suele tener menos reparos (y más capacidad) en asumir con su metodología estos sistemas de gran complejidad sin importarle demasiado que no puedan ser matematizados  o tratados mediante leyes generales de la materia[16].

El lugar de la Química Física

El químico físico debe mantenerse en un terreno intermedio. La función que el consenso le asigna es estudiar con la metodología física estructuras y fenómenos que están en la base de la química aplicada. El químico físico debe sentirse físico y químico a un tiempo, y, lo que es más difícil, debe tener una preparación adecuada en ambos campos (y, por ende, en Matemáticas), al menos la necesaria para enfrentarse airosamente con los objetos de estudio que “le corresponden”.

El objeto de estudio del químico físico es la estructura de la materia, los estados de agregación que derivan lógicamente de dicha estructura microscópica, sus transformaciones y las energías implicadas. No es su objeto, por ejemplo, el estudio del tiempo, pero pasaría a serlo si de pronto se descubriera –es un decir– que la naturaleza del tiempo está íntimamente ligada con la estructura de la materia y que la afecta significativamente. La Química Física se detiene en el átomo, y no prosigue analizando la materia hacia las regiones nucleares porque aparentemente no son demasiado responsables de los hechos y fenómenos relacionados tradicionalmente con la Química. Así, la calidad de un acero no depende mucho de los núcleos de Fe y C (que se sepa); pero si se advirtiera que existe una relación significativa, ahí estará la Química Física para estudiarla.

Visto de otro modo, la Química Física usa ciertos elementos de la Física como herramientas, pero no necesita penetrar en la esencia de estas. Un físico estudia los campos electromagnéticos en profundidad y trata de explicar su existencia en la naturaleza. Un químico físico más bien aprende las leyes que ya le vienen dadas sobre los campos electromagnéticos y hace uso de ellas para sacar el máximo partido, sobre todo en la rama llamada Espectroscopía[17]. Del mismo modo, no es función de un químico físico desarrollar la teoría de las ecuaciones diferenciales, pero debe conocerla para aplicarla a sus problemas. Su relación con el resto de la Química también es parecida: un químico físico no tiene por qué conocer todas las técnicas analíticas, pero profundizará en algunas si es útil extraer alguna generalidad de ellas (por ejemplo, le interesarán los cambios de color que sirven para reconocer ciertos metales de transición si ello lo ayuda a construir una teoría de las transiciones electrónicas que explican estos efectos crómicos).

Dicen Laidler y Meiser (quizá demasiado radicalmente) que la “Química Física no está demasiado interesada en la descripción de las sustancias químicas y sus reacciones”. Como no lo está en la esencia de la gravedad y del tiempo o en los espacios de n dimensiones. Y, sin embargo, desconfiemos del químico físico que no siente interés por el descubrimiento de una nueva partícula fundamental o la síntesis de un nuevo plástico de curiosas propiedades.

A la hora de confeccionar un currículum de Química Física general debemos tener en cuenta todos estos aspectos. Hay que aclarar cuál es el objeto de la disciplina asumiendo la compartimentación de las ciencias heredada y aceptando al tiempo el “encargo” que la sociedad hace a un químico físico. A partir de ahí, hay que cumplir los fines educativos marcados abordando los temas químicos pertinentes y recurriendo a la Física (y a las Matemáticas) cuando sea necesario para que ese objetivo se verifique completamente. Nos parece muy acertada en este sentido la declaración de Castellan de que un químico físico actualmente es “un científico cuya preparación inicial fue en el terreno de la química”[18].

Su relación con otras ciencias

Según Castellan, a finales del siglo XIX y principios del XX el principal interés de la Química Física era el estudio de las disoluciones electrolíticas, pero hoy esta ciencia se ha engranado en todas las demás. Y Lesk asegura que:

Together with other fields of chemistry, physical chemistry has applications in industry, in medicine, and in our interactions with the environment. Physical chemists help to design processes for production, distribution, and utilization of energy; or for producing fresh water from the sea. They help to choose optimal conditions for a reaction or a purification. They help to provide an understanding of physiological processes underlying health and disease. They study the consequences of actions by society, such as the emission of exhaust from automobiles into the atmosphere, to help citizens and governments make informed judgments.

Como hemos apuntado ya, no pertenecen al currículum de la Química Física la descripción de los reactivos necesarios para identificar trazas de hierro en un suelo de cultivo ni tampoco la descripción de la regla empírica de Markovnikov sobre la orientación de ciertas reacciones orgánicas. Pero sí es de su incumbencia dar una explicación última de por qué determinado reactivo reconoce al hierro, formando un complejo que tiene determinado color, y cómo se explica este[19], o cuál es el principio que subyace bajo la regla de Markovnikov.

No se ocupa la Química Física de esas “superestructuras materiales” que sustentan el fenómeno de la vida, y –quizá por ahora– no puede explicar nuestra ciencia algunos resultados de esta organización, como las emociones. Pero proporciona una información prolija sobre el comportamiento de los sillares moleculares implicados (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos…), de sus propiedades e interacciones, hasta el punto de ser capaz de dar cuenta de buena parte de los procesos celulares[20].

La Química Física por supuesto no es Geología, pero puede explicar la causa de los terremotos llamados profundos[21]. No es Genética, pero puede aportar datos sobre la mecánica que causa la mutaciones. En general, no queremos decir que la Química Física constituya el fundamento de todas las ciencias, pero sí que está en la raíz de todas aquellas que tienen una base molecular.

Así, la Química Orgánica usa los resultados sobre cinética logrados por la Química Física para dilucidar mecanismos de reacción, y emplea la Cuántica para determinar estructuras y estabilidad; conceptos fisicoquímicos de simetría para predecir el curso de determinadas reacciones; y espectroscopía, igualmente, para aclarar estructuras. La Química Inorgánica recurre a la Espectroscopía y la Cuántica para explicar los enlaces. La Química Analítica cuantifica por espectroscopía. La Bioquímica requiere de la Cinética para explicar la catálisis enzimática; de la Termodinámica para dar cuenta del comportamiento de las membranas, los fenómenos bioosmóticos y las transformaciones energéticas celulares; de la Espectroscopía para conocer estructuras o movimientos de membranas, etc. La Ingeniería Química precisa de la Termodinámica para predecir equilibrios o separar fases; y de la Cinética para medir velocidades de procesos. La Geoquímica usa la Termodinámica en diagramas de fase geológicos. La Ciencia Supramolecular se ocupa de polimerizaciones, cálculos de pesos moleculares por viscosidad, distribución de conformaciones de macromoléculas, etc., y para ello echa mano de la Termodinámica, la Cinética y la Mecánica Estadística[22].

I.2. Enseñar Química Física

De lo dicho en el apartado anterior cabe deducir que el contenido de la disciplina Química Física puede hacerse tan amplio como se quiera. Pero el consenso histórico y académico adscribe a esta asignatura concretamente la enseñanza del cuerpo de contenidos relacionado con:

1. la energía de los procesos químicos desde el punto de vista macroscópico;
2. la estructura atómica y molecular, tanto material como energética, así como los estados de agregación de la materia explicados por la estructura;
3. el “comportamiento estadístico” de las partículas;
4. aspectos particulares relacionados con el cambio químico (velocidad y mecanismo de las reacciones químicas).

Todos estos conocimientos los aplica la Química Física a sistemas singulares como las superficies, las macromoléculas, los fenómenos de transporte material, los fenómenos eléctricos relacionados, etc.

            Para abordar estos contenidos se hace uso de una serie de herramientas, a saber:

1. la Termodinámica;
2. la Mecánica Cuántica;
3. la Mecánica Estadística;
4. la Cinética, la Electrodinámica clásica, etc.

            Todas estos útiles requieren de otros más particulares en cada caso (análisis de dimensiones, teoría de grupos, de errores, ondulatoria, matrices, ecuaciones diferenciales, etc.).

            La doble clasificación anterior invita a pensar que se puede considerar la asignatura de Química Física dicotómicamente:

• como un conjunto de contenidos fenomenológicos relacionados con la materia a nivel molecular explicados por distintas teorías;
• como una serie de teorías físicas que permiten racionalizar los distintos comportamientos de la materia.

¿Qué es más conveniente? ¿Es mejor, por ejemplo, enseñar en profundidad –dentro de lo razonable según el nivel universitario considerado– las herramientas de la Mecánica Cuántica y dar algunas aplicaciones a sistemas químicos, o, alternativamente, dedicar más el tiempo a la descripción de estos con el despliegue de la teoría cuántica necesario? ¿Es preferible centrarse en explicar cómo resolver los diferentes problemas numéricos relacionados con la energía involucrada en los procesos químicos o explicar en profundidad el sentido de la entropía? Es decir, ¿es más conveniente enfocar la Química Física desde el punto de vista “físico” (las herramientas) o desde el “químico” (los “objetos” materiales)?

            Centrándonos en las implicaciones de esta disyuntiva, es muy diferente plantear un temario así:

1. Estructura del átomo
2. Los distintos tipos de átomos
3. Niveles de energía y transiciones energéticas en el átomo
4. La molécula
5. El enlace
6. Formación y ruptura de enlaces
7. Geometría molecular
8. Transiciones energéticas en las moléculas
9. Espectros moleculares
10. Los grandes conjuntos de moléculas (estados de agregación)
11. La energía de los grandes conjuntos de moléculas
12. Variaciones energéticas de los cambios de grandes conjuntos de moléculas
13. Velocidad de dichos cambios
14. Mecanismo de estas transformaciones
15. Transporte de moléculas
16. Estructura molecular de superficies
17. Comportamiento de partículas eléctricamente cargadas en disolución
18. Producción química de energía eléctrica
19. etc…

que hacerlo así:

1. Mecánica Cuántica
2. Teoría de grupos
3. Espectroscopías atómica y molecular
4. Mecánica Estadística
5. Termodinámica
6. Cinética Química
7. Electroquímica
8. etc…

La primera distribución da preferencia al objeto de estudio, recurriéndose a los marcos teóricos necesarios en cada caso, y habitualmente hay que echar mano de un poco de todos. En la segunda, se pone primero el “marco” y luego se pintan en el “lienzo” todos los objetos coherentes, valga el símil.

Abordar este disciplina desde uno u otro punto de vista depende del autor de cada libro o de cada profesor, y es de su criterio y responsabilidad enseñar con una u otra filosofía, a saber:

• deductivamente: a base de presentar marcos conceptuales que impliquen o expliquen fenómenos;
• inductivamente: describiendo fenómenos que se tratan de situar bajo el manto de una serie de leyes generales.

Decía el químico Joel Hildebrand: “cuando estudiaba las lecciones consistentes en hechos descriptivos y recetas me aburría; mi deseo era entender los fenómenos. Descubrí entonces la Química Física y fue como una inspiración”[23]. Pero, por desgracia, no todos los alumnos tienen la capacidad de entender los fenómenos con facilidad, y para lograrlo hay que suministrarles previamente una batería de hechos. A continuación pasaremos revista a lo que piensan varios autores de textos de Química Física al respecto.

¿El marco o el lienzo?

Hay autores que prefieren articular sus obras con el hilo conductor de las teorías científicas que conforman la Química Física (Termodinámica, Cuántica, Cinética, Mecánica Estadística) y otros que lo hacen priorizando los conceptos (estructura, equilibrio, cambio, etc.)[24].

Encontramos entre los primeros a Lesk, quien opina que es muy útil fijarse en “qué aspectos del conocimiento de la materia puede ayudarnos a conocer e interpretar cada teoría, qué clase de problemas podemos resolver con cada una de ellas. Este marco conceptual debería ayudarnos a asimilar estos temas”. Considera que la Química Física se compone de tres teorías: la Termodinámica, la Mecánica Cuántica y la Mecánica Estadística. También están de ese lado Castellan y Laidler y Meiser (que prefieren hablar de tres áreas de la Química Física: Termodinámica, Química Cuántica y Cinética Química); Guerasimov (que diferencia entre métodos: el mecanocuántico, el termodinámico y el método de la física estadística); y Noggle[25], por citar algunos.

Este último autor considera cuatro grandes principios teóricos: Termodinámica, Cinética –que incluye más generalmente dentro de los fenómenos de transporte–, Mecánica Cuántica y Mecánica Estadística, advirtiendo que al igual que una mesa, que es más que cuatro patas, hay partes de la Química Física que no pueden adscribirse netamente a una parte concreta de este quadrívium. Aclara que en su manual no etiqueta tópicos como Sólidos, Líquidos, Polímeros, Superficies, ni siquiera Espectroscopía porque “(este libro) está organizado en torno a principios teóricos”, quedando distribuidos los tópicos transversalmente.

Pero otros autores parecen dar más un poco más de peso (o todo el peso) al estudio de los sistemas fisicoquímicos, más que al de las teorías. En esta línea, Salvador Senent cree que el objeto de la disciplina es estudiar tales sistemas desde tres puntos de vista:

1. “considerando que los estados físicos estables de los cuerpos puros y los estados estables de los restantes sistemas son estados de equilibrio”, aspecto para el cual la Termodinámica es “el método físico idóneo”;
2. “considerando la evolución temporal de los sistemas en sus diversas transformaciones”, de lo que se debe ocupar la Cinética (cuya meta debe ser dilucidar mecanismos y cómo influyen los catalizadores);
3. “teniendo en cuenta que los sistemas son porciones materiales en cuyo seno existen átomos, moléculas o agregados atómico-moleculares, muchas veces con cargas eléctricas efectivas”. La Cuántica, la Mecánica Estadística y la Electroquímica son los métodos ideales en este sentido[26].

Por su lado, Atkins piensa que la Química Física debe ocuparse de conceptos como el de la materia en “equilibrio” (mediante la Termodinámica), su estructura (y el comportamiento de los átomos y moléculas –y macromoléculas– mediante la Espectroscopía, la teoría cuántica y la Termodinámica Estadística), y sus cambios (velocidades y mecanismos –por la Cinética–, movimientos moleculares, propiedades de las superficies, fenómenos eléctricos dinámicos, etc.).

Moore tiene una visión sui generi, pero en parecido sentido. Considera que lo que hay que perseguir es la solución de problemas, y comenta que los dos mayores que atañen a la Química Física son la posición del equilibrio químico (principal problema de la Termodinámica) y la velocidad de las reacciones químicas (de la Cinética). Puesto que estos problemas en última instancia están relacionados con las interacciones entre las moléculas, su solución completa debe quedar implícita en la Mecánica de las moléculas y los agregados moleculares. de ahí se deduce que la estructura molecular es una parte fundamental de la Química Física. La disciplina que transfiere datos de la estructura molecular al problema del equilibrio y su cinética es la Mecánica Estadística[27].

            El límite de esta forma de entender cómo explicar la disciplina la constituyen, como no podía ser de otro modo, los tratados de aplicaciones. Heald, por ejemplo, escribe un manual enfocado a procesos industriales desde un punto de vista fisicoquímico (cristalizaciones, equilibrios de fase, filtración, cromatografía, adsorción, extracción, destilación, etc.) sin hacer ninguna consideración fundamental sobre la estructura de las moléculas, porque considera que para su objeto no lo necesita[28].

El cuadro completo

Oídos los maestros, nuestra visión de cómo debe organizarse y presentarse esta disciplina es híbrida, salomónica. Dependiendo de qué aspecto se trate será preferible ponderar el “marco” o el “lienzo”. Siguiendo con el símil, hemos observado que el alumno medio se siente, al menos inicialmente, más atraído por los detalles de la pintura. En realidad, así es como se así se ha desarrollado históricamente la ciencia y así es como aprendemos los hombres las cosas desde que somos niños. Sólo a los discípulos con más capacidad de abstracción les seduce y motiva el ir comprobando cómo todos los hechos particulares pueden ser recogidos en algunos marcos teóricos fundamentales.

Desde luego, el objetivo final debe ser entender el marco, no por el marco en sí –eso  más bien corresponde a la Física–, sino porque su conocimiento permitirá abordar la explicación de más hechos particulares. Esa es la metodología que la Ciencia preconiza (aunque, a fuer de sinceros, la mayoría de sus logros no han llegado de ese modo). Por ello, en ocasiones, cuando el marco es árido, y para evitar la desmoralización de los alumnos, es conveniente empezar con detalles particulares, atractivos. Antes de deducir la función de distribución de velocidades moleculares de un gas (de Maxwell-Boltzmann) hay que “abrir boca” con comentarios sobre el movimiento de los gases y sus velocidades aproximadas y el sentido práctico de estas propiedades (por ejemplo, para obtener uranio enriquecido).

Desde luego pensamos que determinados aspectos de la Química Física deben ‑siempre tras una sucinta introducción fenomenológica motivadora‑ ser fundamentados teóricamente sin dilación, para evitar que los malos entendidos iniciales y los prejuicios se perpetúen. Así, en Termodinámica somos partidarios de axiomatizar los conceptos de calor y trabajo e introducir la energía matemáticamente, como una propiedad que tiene diferencial exacta y de la que en consecuencia puede deducirse un principio de conservación.

Una cosa más a tener en cuenta es que en ningún caso debemos dejarnos encorsetar por los marcos. En ocasiones un concepto requiere de dos teorías (termodinámicas y estructurales, habitualmente), y pecaríamos de inflexibles si, estando inmersos en una de ellas, nos negáramos a recurrir a la otra, aunque sólo fuera por pedagogía[29]. Así, si para la cabal comprensión del concepto de entropía es conveniente recurrir a la descripción macroscópica y a la microscópica al mismo tiempo, ¿por qué no hacerlo así?[30].

            En ocasiones, antes de proceder a una descripción de fenómenos conviene “congelar” el discurso y detenerse para construir un marco adecuado, que, aunque en apariencia esté desvinculado aparentemente del hilo que se llevaba, servirá de andamiaje para construir lo que sigue. Un ejemplo: Atkins dedica un capítulo completamente matemático a la teoría de grupos sin conexión alguna con la argumentación que seguía. ¿Por qué? Porque considera que esta digresión va a ser utilísima para discutir los temas de espectroscopía que siguen. Castellan opera de forma parecida mediante sus “interludios matemáticos”, y McQuarrie y Simon intercalan sin empacho capítulos matemáticos completos donde son necesarios[31].

Y a la inversa. A veces será productivo cortar de raíz la profundización teórica porque ello sólo conduciría a una «espesación» del estudio. En ocasiones hay que pedirles a los alumnos “actos de fe”. Las justificaciones teóricas de lo que se expone pueden posponerse y retomarse cuando se desee.

            En general, creo que hay que enseñar Química Física de forma flexible. El objetivo es que el alumno aprenda los contenidos previstos, teóricos o prácticos. Hay que saber “driblar” ante aspectos teóricos farragosos que poco fruto nos van a dar. Y, viceversa, no hay que porfiar en las particularizaciones, anécdotas, circunstancias.

Teorías y contenidos de la Química Física

Centrándonos, la Química Física es una colección de teorías y hechos particulares que el profesor debe transmitir al alumno de la mejor manera posible. Estos son:

• La Termodinámica (del equilibrio) describe las propiedades macroscópicas de la materia en equilibrio; su posición y la dirección en que se producen los cambios. Relaciona propiedades mecánicas macroscópicas como la presión, el volumen y la densidad, con propiedades térmicas, como el calor y la temperatura. Describe la energía y la entropía de los procesos. Se ocupa también de las disoluciones, las ecuaciones de fase y los sistemas electroquímicos[32].
• La Mecánica Estadística prueba que los fenómenos termodinámicos son consecuencia de lo que ocurre a nivel molecular, proporcionando, por tanto, un medio para relacionar la dinámica microscópica de los sistemas que contienen gran número de partículas, descritos por la Mecánica Cuántica, con las propiedades macroscópicas observables (temperatura, calor, equilibrio, viscosidad…). Estas propiedades las expresa como valores medios de propiedades del conjunto de estados microscópicos accesibles a una muestra. Permite, así, comprender el comportamiento de gases, líquidos y sólidos, los fenómenos de transporte y las velocidades de reacción. La mecánica estadística del no equilibrio incluye la dinámica de líquidos y la dispersión de luz, entre otros problemas.
• La Química Cuántica aborda las propiedades de la materia a nivel microscópico. Solucionando la ecuación de Schrödinger se definen los estados energéticos permitidos de los sistemas y las “funciones de onda” con las que podemos predecir propiedades de estos. Describe teóricamente los enlaces entre átomos para formar las moléculas y explica la espectroscopía empírica, en la que a su vez se apoya.
• La Cinética estudia la velocidad de los cambios (en reacciones, difusión, flujo de carga en células electroquímicas, etc…), la aceleración de estos cambios (catálisis) y los mecanismos por los que se producen.
• La Electroquímica la consideran algunos autores un campo de estudio propio, y otros estiman que sus tópicos deben encuadrarse dentro de todas las áreas anteriores[33].

Orden de exposición de los contenidos: ¿lo grande o lo pequeño?

            Otro asunto discutible es por dónde aproximarnos al problema, si hacerlo desde el mundo microscópico o desde el macroscópico.

Moore llama y define estas aproximaciones así:

• La sintética empieza con el conocimiento y la estructura de la materia en su estado de subdivisión menor conocido y progresa conceptualmente de los electrones a los átomos y de estos a las moléculas, a los estados de agregación y a las reacciones químicas.
• La aproximación analítica se inicia con la materia y los productos químicos como los encontramos en el laboratorio y sigue hacia estados de subdivisión cada vez más pequeños según lo vayamos requiriendo para explicar resultados experimentales. Este último método sigue mejor el desarrollo histórico (por más que es imposible una adherencia estricta a la historia en un campo tan extenso como la Química Física, con ramas que han progresado a velocidades diferentes).

            Laidler y Meiser prefieren llamar a estas aproximaciones sistémica  y fenomenológica y comentan que, históricamente, primero predominó la interpretación macroscópica (y así se desarrolló mucho la Termodinámica) para después, desde finales del siglo XIX, unos pocos experimentos físicos difíciles de interpretar clásicamente obligar a la Química Física a sumergirse en el mundo microscópico (Espectroscopía, Mecánica Cuántica y Termodinámica Estadística)[34].

Toomey, un didacta de la Química Física, cree que lo idóneo es enseñar primero comportamientos observables de la materia para luego hablar de temas como estructura atómica y molecular, lejos de la experiencia directa y elucidados relativamente tarde en la historia de la Química. Él ha comprobado, por ejemplo, que los estudiantes del primer curso de la Licenciatura suelen entender bien el comportamiento macroscópico de los gases, pero no tan bien cuando se refieren a las partículas que los forman. Toomey cree que, en términos de la teoría de Piaget, los conceptos de estructura atómica y molecular requieren una “operación de razonamiento formal”, puesto que no pueden ser enseñados mediante la experiencia. Recuerda, además, en defensa de esta argumentación, que la teoría de Ausubel del aprendizaje significativo asegura que se aprende enlazando nueva información con la que ya se tiene[35].

Moore considera que ambas aproximaciones son aceptables, pero él, concretamente, empieza su estudio con la Termodinámica porque está basada en conceptos más del mundo cotidiano. Por otra parte, lo hace siguiendo el desarrollo histórico de la misma porque “normalmente puede obtenerse más conocimiento contemplando la construcción de algo que por inspección de un pulido producto final”, asegura.

            Las estadísticas dicen que hay más consenso en impartir primero la Termodinámica, luego la Cuántica y finalmente la Termodinámica Estadística y la Cinética, lo que puede responder a razones históricas, dice Kovac, que asegura que esta estructuración procede de la empleada en libros de texto clásicos como el Química Física de Alberty y Silbey, que a su vez se remonta al Outline of Theoretical Chemistry que escribió Herbert Getman en 1913, momento en que la Termodinámica constituía el corazón de la Química Física y la Mecánica Cuántica estaba en su infancia[36].

            Noggle asegura que esta organización es “la preferida por la mayoría de los profesores”. (Él, en particular, intercala la Cinética entre la Termodinámica y la Cuántica.) No obstante, consciente como es de que “cada maestrillo tiene su librillo”, presenta los contenidos de modo que cada docente tenga la opción de enseñar los capítulos por cualquier orden, según indica en el prólogo de su manual[37].

Comenta Noggle que uno de los problemas es dónde colocar la Mecánica Estadística. Su opinión es que debería enseñarse junto con la Termodinámica, pensando en que sirva de utilidad inmediata para el estudiante. Pero cree que todos los fundamentos estadísticos no pueden entenderse sin una formación adecuada en Cuántica. ¿Cómo solucionar el dilema? Salomónicamente, apuesta este autor: colocando la Mecánica Estadística en dos sitios: en un capítulo pone énfasis en el cálculo de funciones termodinámicas y en otro hace deducciones rigurosas y aplicaciones adicionales. En realidad, deja a decisión del profesor que “se salte” la primera parte y la imparta con la segunda.

            También Lesk defiende el orden que estamos considerando: “las leyes fundamentales de la Termodinámica ‑razona‑ son de las más generales conocidas, aplicables a todas las sustancias en equilibrio bajo cualquier condición. Es conveniente disponer de leyes aplicables en las primeras etapas de la investigación de una sustancia, antes de que su estructura pueda ser entendida”. Y abunda en las siguientes ventajas científicas y didácticas de empezar con la Termodinámica:

1. proporciona relaciones cuantitativas entre diferentes propiedades de las substancias, y estas son útiles para determinar los valores de cantidades que no son fáciles de determinar por medidas directas[38];
2. permite construir tablas de datos;
3. es muy útil para discutir propiedades de sólidos, líquidos, gases y disoluciones, es decir, el material de trabajo en un laboratorio.

Frente a esta postura, otros piensan que es preferible iniciar el estudio en lo microscópico. Hay libros ya clásicos, y muy sólidos, que lo hacen así, como el escrito en 1964 por Eggers, Gregory, Halsey y Rabinovitch[39] o el de Berry, Rice y Ross[40]. De los modernos, destaca en esta línea el de McQuarrie y Simon. Estos últimos reconocen que la Química Física actual está basada en la Mecánica Cuántica y que tiene sentido pedagógico empezar con la estructura atómica y molecular para aspirar a una firme comprensión de los fenómenos macroscópicos[41]. Otro autores que siguen parecidos pasos son Rosenberg[42] y Glasstone. Este aboga por empezar por la estructura del átomo, y lo argumenta afirmando que uno de los fines de la Química Física es interpretar las interacciones moleculares que dan lugar a los estados agregados macroscópicos en términos de las fuerzas entre átomos y entre moléculas[43].

Lo grande y lo pequeño

Vistas todas estas opiniones, ¿cómo procederíamos nosotros? Ante todo, debemos mencionar que consideramos una forma ideal de enseñar y otra real. La primera ‑imposible‑ consiste en transmitir el conocimiento cada vez a un sólo discípulo (o muy pocos), diariamente, en un laboratorio, sin horarios. La real es, por ejemplo, la que nos permitiría la enseñanza en la UNED: clases a distancia con programas muy inflexibles por ir dirigidos a muchas personas de variadas características y preparaciones previas con los que la comunicación es difícil.

Idealmente, no habría que preconsiderar ningún orden. Podría comenzarse con cualquier motivo incidental, siendo tarea del profesor ir desde ahí tejiendo la red completa de la disciplina[44]. Sería el alumno el que iría instando con sus preguntas y sus actitudes el orden a seguir. Por supuesto, sería tarea del profesor completar lagunas cuando fuera necesario y vetar o posponer hasta haber culminado los antecedentes necesarios algunos caminos indeseables de cara a completar los objetivos del curso, aunque cabría la negociación. Evidentemente, todo esto requeriría una absoluta maestría del enseñante[45].

Pero, por supuesto, unas enseñanzas regladas a la usanza no permiten estas libertades. A medida que aumenta el número de alumnos esta situación ideal se va haciendo más irreal y utópica[46]. Para explicar esta asignatura dentro del currículo universitario, y concretamente dentro del actual plan de estudios de la UNED, no hay mucha elección, porque está establecido que Termodinámica y Estructura (junto a Estadística) se impartan simultáneamente en tercer curso, y en cuarto se dé Cinética (y Electroquímica)[47].

Prueba de que la materia puede introducirse partiendo desde casi cualquier punto es que hay autores que cambian los órdenes de presentación de sus tratados de una edición a otra[48]. Incluso algunos, como Rosenberg, ofrecen secuencias alternativas de capítulos para que el profesor escoja (por si desea, por ejemplo, retrasar la teoría cuántica). Eggers, aunque empieza por la Mecánica Cuántica y Estadística, afirma que su libro puede adaptarse para los que prefieren arrancar con la Termodinámica.

Las argumentaciones dadas por pedagogos como Toomey (expuestas más arriba) en el sentido de que hay que enseñar antes Termodinámica porque sus representaciones son tangibles son, para nosotros, discutibles. No es que le neguemos toda la razón, pero queremos recordar que incluso los niños aprenden también con facilidad ciertas reglas de juegos completamente extrañas e incluso a veces abstractas (como las del ajedrez o la informática) sin necesidad de experiencias previas; y una vez aprendidas se desenvuelven adecuadamente en ese mundo. No digamos, pues, que un alumno de tercero de Licenciatura no es capaz de aprender las reglas del juego cuántico y establecer sobre ellas todo un edificio de conocimientos. Es más, ese hacer tabula rasa puede resultar incluso motivador.

Ya decía Von Neumann en 1936 que había que dar un salto intelectual y pensar con “lógica cuántica”. Consideramos un error tratar de explicar Cuántica basándose en ideas previas, estableciendo paralelismos con la naturaleza macroscópica. Por eso pensamos, con Tsaparlis[49] que a esta disciplina no se le pueden aplicar las recomendaciones sobre el “aprendizaje significativo” de eminentes pedagogos “clásicos”.

La transmisión del mensaje

Toda enseñanza es un proceso de comunicación, una transmisión de conocimientos, de un mensaje, con un objetivo final que, lejos de ser el de conservar lo que se tiene, debe perseguir la ambición de ensanchar un acervo. Todo profesor debería tener en mente que el testigo que un día le entregaron sus maestros tiene la obligación no sólo de transportarlo, sino de “mejorarlo y aumentarlo” antes de entregarlo al siguiente relevista, y así sucesivamente.

Sobre el contenido del mensaje de unos cursos de Química Física general como los que nos ocupan no cabe decir nada demasiado innovador ‑lo que tenemos que aportar al respecto lo hacemos en el apartado de esta Memoria en que se exponen los temarios‑. Es cierto que un  profesor no debe considerar los contenidos como “algo dado” por un currículum oficial y los libros de texto[50]. Pero no lo es menos que los programas oficiales de una Química Física general, de nivel entre 3º y 4º de Licenciatura, con sus descriptores netamente establecidos, no dejan demasiada libertad, como por otra parte es razonable esperar.

Pero sí cabe opinar y hacer propuestas personales sobre cómo transmitir ese mensaje. Cualquier proceso de comunicación consta de una serie de elementos bien conocidos: el emisor, el receptor, el propio mensaje, el medio, el contexto… Incluso el ruido [51]. Diseñar la enseñanza de la Química Física supone establecer sobre bases sólidas la comunicación necesaria planteando el funcionamiento de todos y cada uno de esos elementos, y dicha enseñanza quedará optimizada en la medida en que se  mejoren todos sus elementos comunicativos. Proyectamos a continuación cómo hacerlo en general, para en el siguiente apartado recoger soluciones particulares para la UNED.

La fuente emisora

            No es el profesor el primer y principal elemento en el proceso de la comunicación. ¿Qué se comunica si no hay alumnos? Ni siquiera es el que inicia el proceso de la enseñanza-aprendizaje (no se puede enseñar ni no quieren dos: el que enseña y el que aprende, y además esta relación debería ser bidireccional). Pero, una vez puestos a jugar, quizá sí deba ser tarea del profesor servir las cartas.

            El profesor, ante todo, debe dominar la asignatura y mantenerse actualizado. Y, no menos importante, debe tratar continuamente de mejorar los aspectos pedagógicos y didácticos de su discurso al alumno. Cuando se llevan varios años dando clases, y sobre todo si el auditorio no es demasiado crítico, suele experimentarse una tendencia a relajar el rigor en la exposición, de modo que se perpetúan ciertos pequeños errores de un año para el siguiente (hasta que llegamos a creérnoslos y a basar en ellos nuevas creencias). En una palabra: se va viciando al enseñanza. Contra eso sólo hay un remedio: el estudio continuo, la preparación de cada clase casi como si fuera la primera.

            Como no basta saber, sino que hay que saber enseñar, el profesor no debe descuidar la pedagogía en sus libros o en sus clases. Un pedagogo nace, pero afortunadamente también se hace. Un profesor no puede convertir un texto o una lección oral en una exposición de hechos y teorías con mucha erudición pero sin didáctica. Los volverá un fárrago.

            Permítasenos recoger algunas de las opiniones que al respecto tenía Lawrence Bragg (premio Nobel por sus contribuciones a la espectroscopía de rayos X pero, sobre todo, un excelente comunicador de ciencia):

Una buena conferencia es un tour de force; un buen conferenciante debería estar en un cierto estado de tensión nerviosa antes de iniciarla, y relajado y exhausto después. Las ocasiones en que me he mostrado confiado antes de la conferencia han resultado en desastres; la confianza viene de una falta de saludable autocrítica.
[…] Hay un principio fundamental [para mantener el interés de una audiencia] que yo llamo el de la “novela de detectives”. Es una cuestión de orden. Qué aburrida sería una trama detectivesca si el autor nos dijera quién lo hizo en el primer capítulo y luego nos diera las pistas. A pesar de ello, es lo que hacen exactamente muchos conferenciantes. Yo deseo dar a la audiencia el placer estético de comprobar cómo un rompecabezas de fenómenos se vuelven claros y meridianos cuando usamos los indicios que nos dan en la vía correcta.
[…]Una conferencia queda destinada al éxito o condenada al fracaso en sus primeros diez minutos. En este lapso deben establecerse las bases, recordar a la audiencia cosas que medio sabe y definir los términos que se van a usar. Aunque esto parece evidente, he asistido a menudo a parlamentos en que se iba a presentar un material excelente que hace aguas porque el conferenciante no repara en que el público pronto deja de saber de qué está hablando. Si esos preciosos diez minutos primeros los hubiera empleado en preparar a sus oyentes, los hubiera llevado consigo hasta el final de la exposición.
Un principio clave de las conferencias populares es comenzar con algo con lo que los oyentes estén familiarizados en el día a día, para subirlos luego a regiones más altas gracias a estos buenos cimientos.[52]

            El profesor, en definitiva, debe emplear todos los recursos para llegar al alumno. Uno excelente, por cierto, creemos que se basa en el principio socrático de la mayéutica, el arte con que el maestro va alumbrando en el discípulo nociones que este tenía ya en sí, sin saberlo.

El mensaje

            Los contenidos que hay que transmitir en Química Física no son trivialidades. A menudo no cabe recurrir a la intuición[53]. Por ello, como hemos comentado, el profesor debe tratar de valerse de todos los recursos posibles para transmitir el mensaje adecuadamente y para conseguir que el alumno lo capte.

            Cada maestrillo tiene su librillo. Vemulapalli, por ejemplo, dice que hay que conseguir un compromiso pedagogía-costos, renunciando, si es necesario, a desarrollos rigurosos en bien de un entendimiento rápido y cabal de conceptos. Así por ejemplo, deduce la teoría de Boltzmann heurísticamente. Para él, el secreto radica en “introducir las ideas en su orden natural”.

Por su parte, Dykstra aboga por organizar el material de una manera “efectiva para recordarlo”, hasta el punto de hacer uso de la mnemotecnia. Emplea también el método pedagógico de seguir en la exposición hilos argumentales. Concretamente, suele seguir el hilo del movimiento molecular, aplicándole todos los conceptos nuevos que va introduciendo. Considera este autor que un punto de partida ideal es el concepto de los niveles de energía en átomos y moléculas, las distribuciones entre estos niveles, y la temperatura. Por otro lado, el examen del comportamiento de los gases ofrece, según él, un medio excelente para establecer ciertos pilares de la Termodinámica.

            Nosotros también hemos desarrollado durante los años que llevamos tratando de  enseñar nuestros propios recursos pedagógicos, surgidos a veces de la intuición y otras de la experiencia. En lo que sigue presentamos algunas ideas generales al respecto. Otras más particulares las exponemos en el segundo apartado de esta Memoria (Programas).

Visión de conjunto e insistencia

Creemos que se presenta una doble dicotomía a la hora de presentar los contenidos de una disciplina. En primer lugar, hay que decidir si hacerlo:

• armando una cadena a base de ir eslabonando ordenadamente, eslabón por eslabón.
• mostrando a los alumnos la cadena completa e ir aproximándose poco a poco a su complejidad, volviendo de vez en cuando a la visión de conjunto para abordar un nuevo eslabón, en sucesión preestablecida o alterando el orden a conveniencia.

Es como analizar un cuadro detalle a detalle, empezando por una esquina y terminando por la opuesta, o hacerlo inicialmente mediante una inspección general para decidir qué detalle estudiar primero, volver a la visión de conjunto y así. Por supuesto, cada método tiene sus ventajas. Nosotros defenderemos una postura híbrida: adoptar en general el segundo método pero siguiendo determinadas porciones de cadena hasta el final, eslabón por eslabón, cuando la ligazón y coherencia entre ellos lo aconsejen, en bien de una argumentación completa.

Y en segundo lugar, e íntimamente relacionado con esto, consideramos que hay dos modos de presentar los contenidos de la disciplina Química Física:

• modularmente (o longitudinalmente, verticalmente): incorporando “módulo” tras módulo (Termodinámica, Cuántica, etc…) hasta completar el curso;
• por acrecencia o yuxtaposición (o transversalmente, horizontalmente, estratificadamente): dando sucesivas “capas” del material completo a lo largo de todo el curso (o en varios cursos), con grado creciente de profundidad. El progreso de aprendizaje sería como el de crecimiento de un volcán ‑valga el símil‑, estrato a estrato.

Optamos aquí decididamente por el segundo método, que hace uso de las siguientes ventajas (al menos):

• la visión de conjunto permite que el alumno pueda valorar de antemano el esfuerzo que va a necesitar para aprender los conceptos del curso y que pueda dosificar ese esfuerzo (ni más ni menos que como un ciclista que antes de la salida estudia concienzudamente la ruta);

• simultáneamente se está aprovechando la técnica de la insistencia, un viejo método basado en inocular el conocimiento a base de repetirlo (de “machacar”, como se suele decir);
• ello permite que cuando se aborden las revisiones de la materia (las profundizaciones), el alumno esté alerta para prestar mayor atención a aquellos aspectos que no captó bien la primera vez.

En una Química Física anual esto se puede materializar explicando en el primer cuatrimestre las bases de la asignatura completa, para volver en el segundo sobre lo mismo, pero sólo presentando desarrollos más avanzados. En un currículum de tres años, se impartirían todos los contenidos cada curso pero con sendos niveles de progresiva dificultad. Esta era la tendencia que se seguía antaño, y en realidad, parte de esto se hace ahora mismo. Por ejemplo, la asignatura Química General de primer curso da una visión de conjunto de la Química Física (y de la Inorgánica y la Orgánica) que luego se va a perfilar en años sucesivos[54]. Las evaluaciones correspondientes no presentarían inconveniente alguno: todas recogerían los mismos contenidos, pero con diferentes grados de dificultad.

Desde luego, lo que proponemos, en la práctica, puede no ser aplicable. La realidad es que cada profesor (o equipo) de un Departamento está especializado en una asignatura y tiene encomendada su impartición completa cada año. Para establecer lo que proponemos, las asignaturas deberían darlas equipos de profesores, cada docente los temas en los que sea experto, exigiendo esto un fuerte grado de coordinación y coherencia.

Algunos autores de libros trabajan con la idea de dar visiones generales iniciales para luego profundizar. Así, Atkins presenta un “capítulo 0” en el que explica sumariamente aspectos especialmente interesantes de toda la disciplina, sin perjuicio de ser estos objeto en capítulos posteriores de un tratamiento más completo. Sin embargo, no es lo común en los libros de texto. Eso es razonable, porque es función de los mismos contener los conceptos y teorías a impartir, pero no servir de guión literal de clase (un libro que presentara los temas por el “método de la insistencia” tendría el riesgo de incurrir en la redundancia y en un exceso de volumen), pero eso no supone que no se pueda escribir un libro con esa filosofía[55]. En cualquier caso, una cosa es cómo un libro expone los temas y otra cómo debe hacerlo un profesor.

El “problema” de las matemáticas

Muchos autores consideran que las matemáticas suponen un auténtico escollo para el aprendizaje de la Química Física. Si es así, es un problema que no hay que eludir, sino superar, como dice Rosenberg.

Algunos autores como Moore hacen esfuerzos por reducir el nivel de matemáticas, evitando las ecuaciones diferenciales y el álgebra de matrices en la medida de lo posible pero manteniendo los elementos “fáciles de explicar y de entender a este nivel”, como el álgebra de operadores y el análisis numérico. Y opina que todo sería más fácil si el estudiante estudiara matemáticas mientras estudia ciencias, no antes para aplicarlas después a problemas científicos. Levine usa niveles matemáticos intermedios “que no oscurezcan las ideas físicas pero que no supongan simplemente un tratamiento cualitativo”.

Otros son menos condescendientes. Noggle considera que un curso de Química Física es “para resolver problemas matemáticos con énfasis en los problemas químicos”. No obstante, recurre a métodos heurísticos para resolver ciertos problemas.

Algunos autores colocan “hitos” matemáticos aquí y allá, a manera de interludios (Castellan), como apéndices o bien como capítulos completos intercalados entre los temas fisicoquímicos, como queriendo advertir: “si no estudias aquí este tema de Matemáticas, no merece la pena que pases al siguiente de contenidos químico-físicos” (Levine, y McQuarrie y Simon lo hacen así; estos últimos embuten en su libro muy juiciosamente “capítulos matemáticos”, inmediatamente antes de donde se van a necesitar).

Nosotros estamos de acuerdo con esta última postura. Pensamos que aunque somos profesores de Química Física debemos explicar también Matemáticas (tanto más cuanto se suele decir que un profesor de Química o de Física traslada mejor, en general, los contenidos matemáticos al alumno medio que uno de la especialidad, quizá porque las imparte con una mentalidad más pragmática).

Los ejercicios y problemas

Es imposible aprender Química Física sin ejercitar su parte aplicada, sin hacer problemas. Y hay que tratar de desarrollarlos desde el pruincipio hasta el final por uno mismo. Como dice Noggle, el esfuerzo que el alumno tiene que hacer para resolver un ejercicio por sí solo conllevará un beneficio en proporción. Suele ser común oír a los estudiantes decir que no comprenden cómo entendiendo bien los problemas que el profesor explicó en la pizarra, no fueron capaces de afrontar otros semejantes en el examen. Sin duda fue porque no se entrenaron por su cuenta o porque se limitaron a repetir los apuntados, sin enfrentarse a otros nuevos. Hay muchas estrategias para aprender a resolver problemas, pero la mejor es hacer muchos[56].

Creemos que el profesor debe proponer a los alumnos preferentemente problemas reales. Para ello, puede extraerlos de revistas de investigación o acudir a los “problemas históricos” cuya solución sirvió para fundar tal o cual teoría. Hay libros que recogen artículos seminales que contienen multitud de estos ejercicios. (Muchos de los problemas del libro de Rosenberg están basados en datos reales obtenidos de la literatura.) Otra posibilidad es plantear problemas relacionados con la vida ordinaria. El objetivo es que el alumno sienta la necesidad de resolver el problema; hay problemas cuyo solo enunciado aburre y desmotiva. Por otro lado, estamos en contra de esos problemas cuya solución estriba en una idea feliz matemática, más que fisicoquímica.

Cada vez más autores introducen problemas que requieren de computación. McQuarrie y Simon, por ejemplo, plantean problemas clásicos de lápiz y papel y otros para resolver con ayudas de programas como MathCad o Mathematica, u hojas de cálculo. Nos parece una excelente idea, pues al alumno medio actual se le suele motivar con sólo nombrarle la palabra “ordenador”.

Las prácticas y los ordenadores

No se puede pretender enseñar Química Física sin prácticas, y éste es un hándicap del que adolecen en general los estudios de Ciencias en la UNED (en el apartado del temario dedicado a la asignatura Técnicas Instrumentales Fisicoquímicas proponemos soluciones).

Un gran problema actual en los estudios en la UNED es que el aprendizaje práctico suele estar completamente desvinculado del teórico. En esta Universidad, concretamente, en lo que a nosotros nos atañe, se imparten en 4º curso unas prácticas integradas de las asignaturas teóricas de Química Física de ese año y el anterior. No lo vemos adecuado; preferiríamos prácticas cada año como parte de cada curso teórico. Es más ‑aunque esto en una Universidad a distancia sí que resulta inviable‑: debería explicarse la teoría no en un aula, sino en un laboratorio, o al menos en un aula convenientemente adaptada..

Algo de esto puede desempeñarse en las clases presenciales, sobre todo teniendo en cuenta que muchas prácticas fisicoquímicas pueden hoy día simularse con ordenador y otras sólo pueden hacerse con ordenador.

La historia y la filosofía de la química como recurso didáctico

            El profesor debe valerse de todos los recursos pedagógico-didácticos que se le ocurran o tenga a su alcance. Y uno de ellos es la historia de los desarrollos fisicoquímicos, e incluso su epistemología.

            Para nosotros el recurso juicioso e incidental a la historia de la Química Física ofrece varias ventajas:

1. la más elemental es servir de aliciente, de elemento amenizador y distensor, en una clase presencial, capaz de relajar al alumno y prepararlo para un tema árido.
2. También puede servir para “quitar complejos” al alumno. Cuando el estudiante repara en cuánto costó gestar esa teoría que el profesor trata de hacerle comprender en una hora, suele ganar confianza en sí mismo[57].
3. Puede usarse como criterio a la hora de ordenar la presentación de los distintos tópicos. En caso de duda, lo lógico es seguir el orden de su desarrollo histórico. Si ese fue el que siguió la comunidad científica, ¿por qué no repetir los mismos pasos ‑por supuesto, con el camino ya desbrozado‑ los estudiantes? [58]

Además, que los alumnos conozcan la biografía de los maestros es muy educativo, sobre todo para aquellos discípulos que aspiren a tomar la antorcha de la enseñanza algún día.

            Muchos autores de texto están de acuerdo con estas ideas e introducen la historia en sus tratados. Rosenberg pone ejemplos tomados de los primeros desarrollos históricos; además, gusta de subrayar la evolución de las teorías. Moore afirma que el “fondo” histórico es útil porque sin él la ciencia se torna estática y comparativamente menos interesante. Laidler y Meiser llegan a afirmar que presentar como postulados las leyes de la Termodinámica no es pedagógico, sino que es mejor deducirlas de las evidencias experimentales históricas (asegurando que al mismo tiempo los alumnos aprenden el método científico).

Pero no todo son ventajas a la hora de usar la historia. De hecho, encontramos algunos inconvenientes:

1. Un exceso de historia aburre e impacienta al alumno, que insta al profesor a que invierta el poco tiempo del que se dispone en centrarse en los contenidos y en la preparación del examen (al menos así sucede en la UNED, donde toda la materia “entra” en la prueba de evaluación).
2. Es contraproducente explicar todo el desarrollo histórico de una teoría porque a menudo deambuló por caminos que resultaron callejones sin salida. Exponerlos puede acabar enmarañando los marcos conceptuales que los alumnos hayan podido urdir.
3. La misma razón cabe aducir para no presentar desarrollos históricos de teorías demasiado largos en el tiempo.
4. En ocasiones se explica la historia sin conocerla bien, y ello provoca una desvirtuación de los hechos que se tratan de explicar[59].
5. Finalmente, en ocasiones se detallan teorías antecedentes totalmente erradas, que en nuestra opinión sólo suponen rémoras a la comprensión de las teorías correctas (suele ocurrir en Cuántica cuando se dedica un tiempo precioso a “antiguallas” como el átomo de Rutherford, e incluso el de Bohr[60]).

En resumen, hay que usar la historia de la Química Física adecuadamente, y no abusar, cargando a los alumnos de datos cronológicos y circunstanciales y de demasiados antecedentes que no tuvieron ninguna trascendencia. O que sí la tuvieron, pero que por ser tantos y comentados en tan poco tiempo agobian al alumno (suele ocurrir, por ejemplo, cuando se exponen todos los hechos que no comulgaban con la física clásica e hicieron replanteársela, desembocando así en la Cuántica). El estudiante no tiene tiempo a madurar en pocos minutos cúmulos de problemas que tardaron años en resolverse, por lo que en ocasiones es mejor presentarle directamente el estado actual de la cuestión y nada más.

            Otro recurso interesante, sobre todo para el profesor, es la epistemología de la Química. Eric Scerri asegura que conocer la filosofía de la ciencia en general introduce “elementos de autoescrutinio” en el profesor. Por ejemplo, le permite entender rigurosamente en qué consiste una “explicación química”. Para Scerri, “aun siendo esencial para los educadores químicos tener familiaridad con los detalles de muchas teorías químicas, modelos y leyes que ellos aspiran a enseñar, es casi más importante que sean conscientes de qué son teorías, modelos y leyes en general y cómo varía su naturaleza según la ciencia básica ‑Física, Biología, Química, etc.‑”. De este modo, las explicaciones de clase ganan en rigor[61].

El receptor del mensaje

El alumno

            Last but not least, en la línea del proceso de enseñanza-aprendizaje al otro extremo del emisor está el receptor, que es el alumno, el elemento más importante del sistema educativo. ¿De qué sirve que alguien transmita un mensaje si no hay nadie para recibirlo?

            Al alumno hay que cuidarlo, motivarlo, orientarlo… Hay estudiantes que aspiran a formarse para ir a la empresa; otros a la industria, al laboratorio de análisis, ¡incluso a las aduanas! Y también a la investigación y a la enseñanza. A esos que quieren seguir nuestra tarea debemos estar dispuestos a entregarles el mejor legado y dotarlos del máximo empuje inicial, si queremos que no se limiten a transmitir lo recibido, sino a aumentarlo, mejorarlo y completarlo.

            Deberíamos enseñar a los alumnos no sólo conocimientos, sino a pensar, a tener espíritu crítico. A que no tomen las cosas como algo dado. A que reciban la información advertidos siempre de que es la mejor de que se dispone en estos momentos, pero que lo más probable es que sea pronto superada o al menos absorbida por teorías más abarcadoras, como ha demostrado la historia cien veces. Y es más, a que estén preparados porque pueden ser ellos los destinados a cambiar las cosas, y deben creérselo, destinando de una vez al mayor de los ostracismos la pesada losa del “que inventen ellos”.

El profesor no se puede subir a un púlpito de dogmas. Al contrario, debe animar a los alumnos a que piensen que todo lo que dice es atacable, y a que lo ataquen, lo fustiguen con preguntas. Debe “provocar” a sus discípulos. (Es la postura más difícil, pero la más leal, y además, el enseñante saldrá beneficiado, porque a los profesores los hacen buenos los buenos alumnos.)

No basta enseñarles que la materia está basada en el átomo, sino hacerlos que se interroguen por qué. Que se pregunten qué cambiaría si los átomos fueran mayores de lo que son y no estuvieran sometidos a efectos cuánticos tan marcados. O qué cambiaría si no hubiera electrones, o si fueran tan pesados como los protones. ¿Qué implicaciones tendría que esa magnitud que llamamos energía no se conservara? ¿Qué consecuencias se derivarían de que en los procesos, contrariamente a lo que se sabe que ocurre, se tendiera a un aumento del orden? Aun en el caso de que no pueda ‑ni nosotros‑ dar ninguna respuesta, sólo pensar en ello predispone al alumno a recibir más eficientemente (en sentido amplio) la información que les damos, aunque sólo sea porque la acoge con más reparos críticos.

Estimamos que a un docente pueden presentarse, de cara a los alumnos, varios dilemas (relacionados unos con otros):

• Teniendo en cuenta que algunos alumnos acabarán aplicando los conocimientos adquiridos en la industria o la empresa, mientras otros preferirán la investigación o la enseñanza, ¿qué tipo de doctrinas transmitirles, más prácticas que teóricas o lo contrario?
• Existiendo, según Kauffman[62], dos modos de enseñanza-aprendizaje: el de maestría (a partir de derivaciones e interconexiones) y el esclavo (que necesita continuos apoyos de detalles, ecuaciones, conceptos), ¿por cuál optar?
• Estando distribuida la preparación y capacidad de los alumnos más o menos según una función estadística de Gauss, ¿habría que prestar toda la atención a las alas (los menos dotados o los más brillantes) o centrarse en la mayoritaria media?

Son disyuntivas difíciles. La primera quizá podría solucionarse dando igual peso a ambas facetas, sin sufrimiento una u otra; respecto a la segunda, ojalá pudiéramos acabar un curso con los alumnos reclamando el modo de maestría del aprendizaje; y en lo que se refiere a la tercera, quizá podríamos dedicar mucha atención a los más capaces con la condición de que nos ayudaran en la enseñanza de los menos preparados.

El alumno de la UNED

            Las disyuntivas anteriores se vuelven más problemáticas si ni siquiera conocemos a los alumnos, si ellos no tienen relación entre sí, y si además su situación es muy variada. Eso es lo que ocurre en la UNED. Las características de nuestros alumnado son las siguientes:

• Número de matriculados: del orden de dos mil (2.390 en el curso 99/00), de un total de unos 180.000 alumnos en toda la Universidad (entre Licenciaturas, Diplomaturas y enseñanzas no regladas). Unos 300 matriculados en las asignaturas de Química Física de primer ciclo.
• Distribución geográfica: todo el territorio nacional y parte del extranjero (estando los estudiantes adscritos a alguno de los 61 “centros asociados” españoles (con otras tantas “extensiones locales”) y 20 “centros de apoyo” extranjeros. Algunos centros imparten todas las enseñanzas; otros son sólo administrativos). El 33% de los alumnos vive a más de 30 km de su centro.
• Edad: el curso 1999-2000, el 52% era mayor de 25 años (con una tendencia en los últimos cursos a entrar muchos alumnos jóvenes, habiéndose reducido al tiempo la tasa de aprobados).
• Acceso a la Universidad: la mayoría, procedentes de enseñanzas regulares; pero hay un considerable porcentaje de alumnos del curso de Acceso Directo para mayores de 25 años, cursos puente para titulados técnicos de grado medio o profesores de EGB, y licenciados de otras carreras.
• Tiempo para estudiar: muy variado (debido a muy diferentes situaciones profesionales).

            El estudiante de la UNED se halla lejos y a menudo solo (en la tarea del estudio), y suele sufrir “crisis” y pérdidas de motivación con mucha facilidad[63]. La verdad es que muchos alumnos de esta Universidad han de adelante con su esfuerzo personal y sus propias dotes ‑que incluso acrecientan en el empeño‑ porque desgraciadamente poca ayuda pueden encontrar en una comunicación con el profesor que, por más dispuesto que este esté y más medios ponga ‑y nos consta que es así­‑ a menudo las circunstancias no propician.

            En principio no cabe otra actuación que pensar en un alumno medio, en el centro de la campana de Gauss a la que nos referíamos anteriormente, en espera de que la figura de algunos alumnos vaya destacando ‑en el sentido general de la palabra‑, ya sea porque han dado respuestas excelentes a la Prueba de Evaluación a Distancia del mes, o porque visitan a menudo el despacho del profesor o porque el tutor nos ha hablado de ellos. Entonces sí es posible, al menos con estos matriculados que dan un paso al frente, aplicar un tratamiento más personalizado.

            No queremos transmitir la idea negativa de que el alumno de la UNED está en una supuesta desventaja. Al contrario, el modelo de esta Universidad y sus inconvenientes pueden usarse en beneficio de la enseñanza. Así, la independencia del alumno respecto al profesor puede convertirlo en profesor de sí mismo, lo que redunda en una madurez como estudiante más temprana y más sólida.

I.3. Enseñar en la UNED

            Ahora nos vamos a detener en el medio por el que transmitimos nuestro mensaje, la Universidad Nacional de Educación a Distancia, un medio tan peculiar que el mensaje no puede dejar de verse fuertemente condicionado (por no decir, con MacLuhan, que aquí uno y otro elemento de la comunicación son lo mismo).

La UNED, más que una Universidad a distancia, la consideramos una institución estadísticamente dispersa respecto a cualquier promedio que queramos considerar. Así:

• algunos alumnos tienen muy fácil el acceso al profesor (por su proximidad geográfica) y otros lo tienen muy difícil;
• los alumnos viven en un área extensa en la que se hallan dispersos;
• la dispersión de edad y sociológica es muy grande, con buena parte de los estudiantes trabajando al mismo tiempo;
• es también amplia la dispersión en cuanto a preparación previa: desde los  procedentes del Curso de Acceso Directo para mayores de 25 años (algunos de ellos con Graduado Escolar previo, o ni eso) a los alumnos con otro título obtenido en esta u otra Universidad;
• la comunicación es principalmente indirecta, aunque tiene una componente directa optativa (las tutorías o las consultas al profesor nacional);
• la comunicación suele ser lenta, aunque se dispone de medios que pueden hacerla instantánea;
• los “centros asociados” en que está dividida la Universidad son unos masivos y otros minúsculos.

Por estas y otras razones la UNED presenta ciertas características muy marcadas:

• el alumno se siente más en una aventura solitaria que otros alumnos de universidades presenciales;
• por esa razón, el espíritu universitario está diluido;
• el trabajo en equipo y la tutoría de iguales brillan por su ausencia, dada su dificultad;
• la “madurez” media del alumno como persona es mayor;
• para suplir sus carencias, la UNED hace más uso de diversos medios de comunicación que las universidades presenciales;
• tiene una componente más alta de lo normal de alumnos no identificados con la institución (están en ella por razones “burocráticas”, pero desean cambiar de Universidad).

En cuanto a la enseñanza de las ciencias, evidentemente tiene que ser “diferente” 

1) por la dificultad inherente de estudiar ciencias sin un apoyo cercano (de profesor o de compañeros);

2) por la escasez de horas de práctica.

            En lo que sigue, y teniendo en cuenta todas esas circunstancias, exponemos cómo pensamos que se debe articular el proceso de enseñanza-aprendizaje en una Universidad tan singular.

La comunicación básica

            La primera tarea de un profesor a distancia es organizar un sistema de transmisión de la información lo más básico y general posible para que todos los alumnos destinatarios tengan las mismas posibilidades de recibirlo. Este sistema debe basarse en materiales impresos porque son los únicos capaces de llegar a todos los alumnos (aunque también puedan plasmarse electrónicamente).

La clave del éxito académico del modelo de enseñanza a distancia de Universidad es que estos materiales, que sustituyen a la explicación del profesor tradicional, tengan calidad científica y pedagógica. Se trata de las guías del curso, las guías didácticas, las unidades didácticas, los “cuadernos”, las pruebas de educación a distancia y los manuales. Además de este material básico, la UNED pone una batería  de medios audiovisuales a disposición del profesor, incluida la virtualización de la enseñanza remota. Los comentamos a continuación.

Guía del curso

Los mensajes iniciales debe transmitirlos el profesor mediante la “Guía del Curso” que se entrega al estudiante en el momento en que se matricula. En ella deben quedar reflejados todos los aspectos generales de la asignatura, académicos y administrativos, de manera que resulte una información suficiente incluso para aquel alumno que, hallándose en las peores circunstancias (ocupaciones, lejanía a su centro…), no podrá volver a tener ni siquiera una comunicación más con sus enseñantes (profesor y tutor) o compañeros antes del examen. El alumno debe poder conocer los objetivos que se persiguen, el programa de la asignatura, el material bibliográfico, algunas recomendaciones para el estudio, los criterios de evaluación e incluso el lugar, fecha y hora del examen.

Pero entendemos que esta información básica no debe quedarse ahí. A lo largo del curso el profesor debería suministrar a todos los alumnos, mediante circulares, las comunicaciones complementarias que sean precisas y otras no tanto (recordatorios, aclaraciones, avisos sobre materiales aparecidos en revistas de circulación general, propuestas de problemas y ensayos optativos, anuncios de conferencias, seminarios, encuentros en el Centro Asociado, programas de radio o televisión interesantes, etc.). Esta estrategia es útil para mantener el espíritu del alumno, para mitigar su soledad discente. El estudiante suele recuperar el estímulo cuando recibe una comunicación de su profesor.

Guía didáctica

El docente debería tener elaborada, y enviarla a los alumnos, una guía didáctica (o de estudio) en la que explique ciertos contenidos o dé indicaciones más concretas para la comprensión de los mismos; recomiende algún método de estudio o algún manual; resuelva completamente algunos problemas complejos, etc. No tiene por qué tratarse de un “libro de la asignatura”, pero nada se opone a que con el correr de los años vaya siendo completada y mejorada y se convierta en eso. Téngase en cuenta que, a diferencia de un profesor de Universidad presencial, que puede transmitir sus enseñanzas oralmente, el de la UNED no tiene otro medio masivo de hacerlo que por escrito (o bien recomendar algún manual de su confianza). Nuestra opinión es que todo profesor de la UNED debería plantearse escribir su propio libro algún día, aunque también pensamos que si no se tiene nada nuevo que decir, mejor es recurrir a los textos existentes.

En cualquier caso, la guía de estudio del profesor de la asignatura debe

• completar el libro de texto recomendado con información adicional sobre los temas del programa no suficientemente tratados;
• orientar en el estudio del “texto base”, planteando los temas fundamentales, señalando los conceptos claves y anticipando los aspectos de mayor dificultad aclarándolos en lo posible;
• dirigir al estudiante hacia la bibliografía complementaria adecuada;
• proporcionar ejercicios y problemas resueltos que permitan la autoevaluación del alumno, o, mejor, una colección completa de problemas resueltos para afianzar los conocimientos adquiridos.

Unidades didácticas

Una versión más elaborada de la guía de estudio y que en ocasiones se puede considerar el “manual oficial de la materia” ‑depende de su grado de suficiencia y completitud‑ es lo que en la UNED se llaman las Unidades Didácticas. Deben ser

• autosuficientes, en el sentido de que deben contener la teoría necesaria y una colección relativamente numerosa de problemas completamente resueltos (aunque el alumno siempre habría de consultar bibliografía adicional para comprender mejor los conceptos y ampliarlos); y
• no convencionales, en el sentido de que deben estar diseñadas para permitir el estudio autodidáctico.

El Instituto Universitario de Educación a Distancia (IUED) de la UNED recomienda que cada unidad de estudio o tema debería contener:

1. un esquema de los contenidos del tema;
2. instrucciones para el estudio (con textos alternativos recomendados);
3. presentación clara de los contenidos;
4. ejercicios de autocomprobación;
5. esquemas resumen con los conceptos más importantes introducidos;
6. bibliografía adecuada complementaria.

El profesor también debería redactar textos monográficos para proponer a los alumnos como lecturas complementarias, en forma de los llamados Cuadernos de la UNED.

Pruebas de Evaluación a Distancia

Además, el profesor debe elaborar cada año unas Pruebas de Evaluación a Distancia (PED), una por cada Unidad Didáctica (es decir, 6, como veremos luego), para que el alumno autoevalúe los conocimientos adquiridos. Deben contener cuestiones y problemas semejantes a los que se propondrán en el examen. El encargado de corregirlas será el tutor de la asignatura en el Centro Asociado correspondiente (o el propio profesor de la Sede Central para alumnos sin tutor en su centro). Es necesario devolverlas al alumno con indicación expresa de los errores que ha cometido y recomendaciones, si es preciso.

Actualmente no se suele obligar al alumno a que se someta a estas pruebas, que de hecho muchos profesores ya ni elaboran. Nosotros somos partidarios de su obligatoriedad por el bien del alumno. Son el único medio de imponer hitos cronológicos a un sistema de aprendizaje tan libre que redunda en perjuicio de aquellos estudiantes que, si no se les exige la más ligera disciplina, son incapaces de aplicársela a sí mismos para ir avanzando.

Medios audiovisuales

            Como material complementario (que, desde luego, no se puede esperar que llegue a todos los alumnos) puede optarse por los distintos medios audiovisuales de que dispone la UNED. Son los que se relacionan a continuación, y proponemos que se empleen como indicamos:

• Radio (en RNE) y televisión (La 2 y TeleUNED): lo ideal es usarlas para divulgar temas monográficos relacionados con la asignatura, elaborados por el profesor, o bien transmitir novedades. En cambio, nosotros no utilizaríamos estos medios para presentar la asignatura o indicar cómo será el examen, que es lo habitual.
• Vídeo: ideales para presentar prácticas o familiarizar con aparatos o técnicas, dado el escaso tiempo que puede dedicar al laboratorio un alumno de la UNED;  también para presentar temas que requieran de apoyo de gráficos en movimiento.
• Cintas magnetofónicas: para exponer exclusivamente con la palabra lecciones del temario que se presten, o bien temas monográficos de divulgación.
• Videoconferencia: este medio sí que nos parece el adecuado (y no la radio) para comunicar a los alumnos cuestiones de temario, exámenes, etc.
• CD-ROM: debe contener toda la información de la guía del curso y además bibliografía, ejercicios, ejemplos de exámenes, etc.
• Páginas web: pueden contener todo lo que el CD-ROM, con la ventaja de permitir enlaces con páginas interesantes de todo el mundo dedicadas a la enseñanza de la química. Todo profesor debería disponer de su propia página web, puesto que la infraestructura de la UNED lo permite y es un buen reclamo para parte del alumnado (cada vez mayor). (Nosotros creamos hace 5 años la web “Todoesquímica”, con unos 250 enlaces a sitios químicos interesantes. En ella “colgamos” también material para nuestros alumnos.)

Comunicación de avanzadilla: los tutores

Aparte de los medios de transmisión indirecta de la información citados, el profesor de la UNED dispone de la colaboración del profesor-tutor de su asignatura en cada Centro Asociado para disponer una comunicación mediada por otra persona. El inconveniente es que no todos los centros tienen tutor de la asignatura y no todos los alumnos acuden a las tutorías ‑más bien, una minoría‑, pero eso no disminuye el valor inestimable de esta ayuda.

La UNED cuenta con unos 60 centros asociados en España, de los que dependen otras tantas extensiones (sin incluir los numerosos subcentros del Centro Asociado de Madrid). Además, hay 20 centros de apoyo en el extranjero (en 4 sólo se realizan exámenes y uno es una extensión) distribuidos por todos los continentes excepto Oceanía, más cuatro “centros institucionales” (Correos y Telégrafos, Instituto de Estudios Fiscales, Fundación Ramón Areces e Instituciones Penitenciarias-Ministerio de Justicia).

            En ellos es donde los alumnos hacen casi toda su vida académica (como mucho, vienen a la Sede Central algunos días al año a hacer prácticas; los de Madrid acuden más regularmente, a consultar dudas con el profesor nacional). Los centros asociados son, pues, fundamentales. La UNED, en gran medida, va a ser evaluada y percibida por el alumno y la sociedad en función de la calidad ofrecida por estos ellos. Deben estar sujetos, pues, a un proceso continuo de mejora y modernización[64].

            Uno de los recursos que el profesor nacional puede aprovechar de los centros asociados es el de las llamadas convivencias, o encuentros con los alumnos, normalmente de duración de un día (en la práctica, muchas veces, un par de horas). No dejan de ser circunstanciales, resultando más efectivas para cumplir el mismo cometido las videoconferencias multipunto. Pero no por ello deben despreciarse como medio de acercarse aunque sea a un mínimo número de alumnos. No deja de ser una interacción de la que el profesor puede obtener mucho beneficio, pues es de las pocas maneras en que puede entrar en contacto con los “clientes” de su producto, sabiendo de viva voz “si lo hace bien o mal” ‑en lo que sus pecualiares discípulos pueden valorar‑, si debe mejorar tal o cual aspecto de su enseñanza.

            Pero el recurso presencial fundamental está destinado a protagonizarlo ‑insistimos‑, el tutor. Con él, el profesor debe mantener una gran complicidad. Es necesario fomentar la comunicación bidireccional, “en directo” y a distancia, oír lo que dice, darle y recibir consejos, etc. Es imprescindible convocar todos los años a los tutores a seminarios de orientación metodológica y pedagógica, a encuentros formativos. El profesor debe explicar a los tutores qué espera que los alumnos aprendan, y debe ilustrar a los tutores sobre nuevas técnicas didácticas, darles material para facilitar la enseñanza (por ejemplo, presentaciones electrónicas), etc.

            Los tutores deben comunicar al profesor si la asignatura es viable tal como está organizada, si conviene reescribir partes o temas de las Unidades Didácticas en futuras ediciones porque los alumnos no las entienden, si habría que suprimir o añadir contenidos… En fin, el tutor es la correa de transmisión en el proceso de enseñanza-aprendizaje entre profesor nacional y estudiantes.

            El tutor cuenta con la ventaja de que puede explicar la asignatura a su manera, aunque con la desventaja de que para ello apenas dispone de tiempo (unas dos horas semanales, típicamente, e incluso menos en algunos centros). Tiene, pues, la relativa libertad de empezar el cuadro por donde quiera, siguiendo el símil de la pintura empleado más arriba. Puede introducir los temas con asuntos cotidianos relacionados ‑y de hecho, es recomendable que lo haga, según los pedagogos‑; puede enfocar la clase hacia la teoría o los problemas o impartir una lección magistral sobre la historia de la teoría que en esos momentos se estudia. Puede dedicarse a comentar alguna noticia científica aparecida en alguna revista en línea especializada, como The Alchemist. O proyectar con “cañón” moléculas en movimiento para que los alumnos entiendan que la química de las cosas es dinámica. Puede… todo lo que el profesor nacional no puede hacer en persona, en una clase presencial. 

El tutor corrige las pruebas de evaluación a distancia y emite un informe sobre cada alumno ‑teóricamente; en la práctica el informe suele ser las actas con las calificaciones de estas pruebas‑, pero apenas participa en el proceso de la evaluación. Esto hay que subsanarlo, porque en un proceso tan intrínsecamente injusto como es una evaluación, un tutor contribuiría a poner un poco más de ecuanimidad.

En definitiva, mi propuesta es que hay que obtener mucho más partido de la existencia de ese colaborador del profesor que es el tutor. Deberían estrecharse estas relaciones porque ello repercutiría en beneficio del alumno y de los dos profesores. Para el de la Sede Central, el tutor sería desde la mano capaz de cambiar por él una transparencia o de pasar una diapositiva en un cañón de proyección ‑es un decir‑, hasta un elemento completamente autónomo valiosísimo en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Para el tutor, además de vivir en directo la experiencia universitaria ‑hay una buena parte de ellos que son profesores de Secundaria‑, dar clase en la UNED puede servirle para vivir otro tipo de filosofía de enseñar, la que sólo da y nada pide: el tutor (para bien o para mal), como hemos dicho, en general no participa en la evaluación, lo que le permite vivir una auténtica complicidad con los alumnos. 

Comunicación cuasipresencial: virtualización

El modelo de transmisión del conocimiento de “profesor en una tarima y alumnos escuchando desde un asiento y tomando notas” se remonta a la edad media. Eso no significa que sea malo, pero sí nos invita a pensar que es hora de buscar nuevos métodos. Sobre todo en la UNED las innovaciones y mejoras que acorten la distancia y el tiempo en principio son positivas para la optimización del proceso. Desde el curso 2000-01 la UNED está aprovechando en ese sentido las posibilidades que ofrecen las nuevas “tecnologías de la información” y está “virtualizando” todas sus enseñanzas, es decir, llevando digitalmente al profesor lo más físicamente posible al Centro Asociado o al domicilio de cada alumno. Aún no se ha implantado en la carrera de Químicas, pero ello es inminente.

Los alumnos matriculados tienen acceso mediante una clave a los cursos virtualizados, disponiendo de una tutoría telemática a cargo de los profesores nacionales y los tutores. Cuando “entran” en la tutoría, pueden conversar en directo con el profesor y con todos los alumnos conectados. El enseñante dispone incluso de una pizarra electrónica para explicar ideas sobre la marcha y de una carpeta para depositar apuntes, problemas, etc. Un profesor debe dar a los alumnos más que apuntes, resúmenes y problemas; debe proveer a los estudiantes de instrumentos para pensar, interrelacionar informaciones, datos y conocimientos teóricos para que estos elaboren sus propias conclusiones. Se piensa que los cursos virtuales pueden contribuir a esto.

A cada alumno se le asigna una cuenta de correo para comunicarse privada o públicamente con el tutor o los demás compañeros, con los que puede intercambiar material. Así, al menos, se sentirá un poco menos solo. Puede incluso enseñar a sus compañeros, algo tan normal en una universidad presencial pero que resulta un lujo en la UNED. Es lo que se llama tutoría de iguales, que está demostrado que resulta muy valiosa para el que enseña y el que aprende; se dice que hemos aprendido algo cuando somos capaces de explicárselo a otros; es entonces cuando hacemos propio el conocimiento. Se favorece también que los estudiantes aprendan a vincularse con los demás, a trabajar en equipo.

Las ventajas son, pues, impresionantes, porque el proceso de la comunicación se incrementa exponencialmente. Afirman Wimar y Meierhenry[65] que retenemos

• el 10% de lo que leemos (es decir, no basta con buenos textos);
• el 20% de lo que escuchamos en una clase expositiva (por lo que hacen falta apoyos adicionales de otros tipos);
• el 30% de lo que vemos (y de ahí la utilidad de las imágenes en los libros);
• el 50% de lo que vemos y escuchamos (por eso son valiosas las transparencias o la pizarra);
• el 70% de lo que decimos y discutimos en una clase con exposición, diálogo, discusión entre pares, etc. (razón por la que la participar en foros de debate es tan productivo);
• y el 90% de lo que escribimos y trabajamos (un trabajo en grupo sobre un tema con exposición y debate posterior, por ejemplo, es lo mejor).

Este sistema virtual permite un poco de todo eso. Pero debe ser un complemento del tradicional; en ningún caso puede sustituir al material impreso. Para implementarlo se ha elegido la aplicación informática WebCT, desarrollada para la impartición de cursos a través de Internet y utilizada en la actualidad por más de 1.200 universidades de todo el mundo con más de dos millones de alumnos.

Cuando el estudiante “entra” en el sistema recibe automáticamente avisos de las novedades del día (mensajes de correo, nuevas intervenciones en los foros, tareas puestas por el profesor o los tutores, anuncios, etc.). Cada asignatura dispone de dos “ámbitos”; uno de ellos conecta directamente con el equipo docente de la Sede Central y con el conjunto de alumnos de la asignatura; el otro, con el tutor. Cada ámbito tiene cuatro bloques de herramientas: contenido, comunicación, estudio y evaluación. En detalle, consisten en:

1. Contenido

a. Programa: método de estudio de la asignatura: utilidad de la disciplina, objetivos didácticos, conocimientos previos necesarios, métodos de evaluación….
b. Calendario: agenda de programación, celebración de (vídeo)conferencias u otros eventos…
c. Contenidos: materiales complementarios elaborados por el profesor titular o por el tutor (resúmenes, presentaciones multimedia, ejercicios de autoevaluación y propuesta de actividades prácticas); enlaces a otras páginas web de contenidos.
d. Glosario: términos técnicos especializados, enlazados con las páginas de contenidos.
e. Búsqueda.
f. Herramienta de impresión.

2. Comunicación (recibir comunicados o circulares del equipo docente, etc.).

a. Correo: para comunicarse con los compañeros y los profesores.
b. Foros: debates, anuncios, solución de dudas entre estudiantes, colaboraciones…
c. Chats: varias salas para mensajes en tiempo real.

3. Estudio

a. Páginas web personales de alumnos, para darse a conocer a sus compañeros.
b. Grupos de trabajo: permiten a los profesores crear grupos de trabajo con los alumnos (los cuales dispondrán de una lista de distribución de correo, un foro restringido y un área de almacenamiento e intercambio de materiales en el servidor).
c. Progreso: sistema automático estadístico que permite conocer la participación del alumno en el curso.
d. Consejos y orientaciones.

4. Evaluación y autoevaluación

a. Trabajos: para enviar al tutor trabajos, ensayos, comentarios (pruebas de corrección no automáticas).
b. Autoevaluación: test V-F o deasociación de conceptos; el sistema los corrige automáticamente.
c. Exámenes resueltos de otros años.
d. Calificaciones: estado de tareas (pendientes o realizadas) y medida del proceso de aprendizaje.

Modelos didácticos

            Distinguen los pedagogos cuatro tipos de procesos de enseñanza-aprendizaje: tradicional, técnico, espontaneísta y constructivista[66]:

• En el método tradicional se transmite verbalmente y con apoyo de los libros de texto un conocimiento preparado y dogmático de la disciplina; el aprendizaje es por recepción de conocimientos.
• En el método técnico la enseñanza se basa en una programación exhaustiva de objetivos y actividades y el aprendizaje es por asimilación de contenidos adaptados (que toman en cuenta la estructura conceptual y metodológica de la disciplina).
• En el método espontaneísta la enseñanza se basa en el descubrimiento de los alumnos y el aprendizaje es espontáneo, por el contacto con la realidad (“empiricismo ingenuo”). No se programan contenidos, sino que estos coinciden con el conocimiento “científico” que los alumnos “descubren” observando y experimentando con la realidad, según sus intereses.
• El método constructivista basa la enseñanza en la propia investigación de los alumnos, y el aprendizaje se verifica por construcción del conocimiento. La metodología es investigando problemas relevantes, siendo las ideas de los alumnos un continuo referente en las actividades.

¿Cuál de estos modelos didácticos es posible aplicar a la enseñanza básica en la UNED a partir de unas guías didácticas y, como mucho, un libro escrito por el profesor o una serie de libros recomendados? No hay más remedio que recurrir a los métodos tradicional y técnico (excepción hecha de los estudios de Tercer Ciclo, que pueden ser constructivistas)[67].

Es muy diferente enseñar a un solo discípulo, a una clase presencial o a un colectivo no presencial. A un discípulo le enseñaríamos diariamente, y siguiendo el camino que él mismo vaya pidiendo; a una clase presencial, con un programa, pero que puede flexibilizarse a lo largo del curso por negociación directa. A un colectivo no presencial como tal no cabe mucho más que arbitrar una programación tradicional relativamente inflexible.

Ahora bien, en los cursos superiores, dado que el número de estudiantes ha menguado respecto de los que iniciaron la carrera, si el alumno quiere y puede sería posible adaptar para él una enseñanza más personalizada y basada en el método constructivista, siempre cuidando de que ello no suponga un agravio comparativo para el resto de estudiantes que no pueden permitirse un arreglo de este tipo. La virtualización podría servir para facilitar estas nuevas posibilidades de enseñanza a distancia, haciendo más elásticas las actuales rígidas  estructuras de transmisión del conocimiento.

Cómo evaluar en la UNED

Evaluar nos resulta enojoso. Y ser ecuánime no es fácil, y menos en la UNED, dado que el profesor no conoce a todos sus alumnos y, por tanto, no puede valorar sus rendimientos en términos relativos (por comparación con el de otros alumnos y por cuantificación del progreso a partir de una referencia inicial), que es la forma más justa.

Pero examinar y puntuar son también obligaciones del profesor, habida cuenta de que una de las funciones delegadas por la sociedad a la Universidad es certificar que una persona está capacitada para desempeñar un papel en su seno. Eso sí, pensamos que la principal tarea del profesor es enseñar, y es a la que debe dedicar la mayor parte de su tiempo. Por eso, debería poner exámenes que pudiera corregir rápidamente, siempre que ello no redunde en arbitrariedad o injusticia.

En los cuatro tipos de procesos de enseñanza-aprendizaje comentados más arriba la evaluación se contempla así:

• tradicional: por exámenes (se evalúa el aprendizaje de conceptos y su aplicación en problemas);
• técnico: se contrastan los conocimientos a priori del alumno con los finales;
• espontaneísta: se cuantifica la participación del alumno según su toma de decisiones concernientes a la dinámica de la clase;
• constructivista: se compara la evolución de las concepciones de los estudiantes con la progresión real del conocimiento[68].

¿Cuál adoptar? Lo ideal sería un poco de todos; la realidad no deja muchas opciones…

En cualquier caso, en lo que sigue exponemos nuestras ideas sobre el proceso de evaluación de la UNED y propuestas para conseguir que refleje lo más fehacientemente posible lo que el alumno ha trabajado y ha aprendido.

Antes del examen…

• …los tutores pueden proponer a los alumnos un ejercicio interesantísimo: que sean ellos mismos los que planteen las preguntas. Con ello se mide qué contenidos consideran los estudiantes más importantes o cómo estiman que es justo que se les evalúe. Después debe comentarse todo esto con ellos, haciéndoles reparar eventualmente en apartados que no han considerado y que tienen gran trascendencia en la asignatura. (A veces, el problema radica en que el alumno no es capaz aplicar una escala de valores a los tópicos y, en consecuencia, no sabe qué estudiar.)
• Relacionado con esto, se han puesto de moda en Estados Unidos las “encuestas de un minuto”. Se les da a los alumnos al final de cada clase uno o dos minutos para que escriban cuál ha sido para ellos el punto central de la sesión y el más confuso.
• No juzgamos conveniente dar demasiada importancia al examen en las tutorías. Los alumnos deben comprender que lo importante es estudiar y aprender. No obstante, deben facilitársele a los alumnos que lo deseen exámenes de años anteriores (en papel o vía web), no tanto para que se familiarice con la forma de preguntar del profesor sino para que le sirvan de ejercicios autoevaluadores.
• El tutor debe animar a los alumnos a que realicen las pruebas de evaluación a distancia (actualmente las completan muy pocos).

Los exámenes…

• …proponemos que sean “razonables”. Es absurdo exigir memorizaciones de las que ni el profesor es capaz. (No debe perderse de vista que en el desarrollo de la profesión todos recurrimos a datos que están ahí, en los libros[69].)
• Por lo anterior, habría que valorar muy en serio la posibilidad de “dejar todo el material”, proponiendo exámenes en consonancia con esta ventaja que se les otorga a los alumnos. Lo bueno de esto es que se valora la capacidad de un alumno para encontrar información rápida y eficientemente.
• ¿Exámenes tipo test? ¿Por qué no? Tienen sus inconvenientes, pero al menos constituyen un rasero homogéneo (aparte de ayudar al profesor si el número de alumnos es muy grande).
• No hay que preguntar sólo sobre conceptos aprendidos, sino que hay que evaluar la capacidad de creatividad, de extrapolación de esos conceptos para resolver nuevos problemas. “Si se demostrara que existe el móvil perpetuo, ¿habría que revisar los principios de la Termodinámica?”, puede ser una pregunta de este tipo.
• Y nada de “ideas felices” matemáticas de las que dependa la resolución de un problema; lo que hay que valorar es si el alumno sabe Química Física (lo que ya implica que debe conocer ciertas herramientas matemáticas).

Después del examen:

• En la calificación final no deben contar sólo el examen y la Pruebas de Evaluación a Distancia, sino ensayos obligatorios o voluntarios encargados por el profesor. En la mayoría de las asignaturas de la UNED sólo pesan los exámenes, esa es la realidad.
• ¿Deben incluirse en la calificación valoraciones actitudinales o procedurales? Es difícil decantarse, porque podría incurrirse en injusticia. Un profesor puede valorar las actitudes de un alumno al que conoce o del que tiene informes precisos del tutor, pero ¿y las de aquel del que no tiene referencias (por ejemplo, porque viva en la isla de El Hierro)? Una solución es obligar a los matriculados a mantener correspondencia con el profesor.
• Nos parece una buena idea[70] poner las notas una vez corregidos todos los exámenes si se detecta que casi todos los alumnos tienen el mismo problema o error, es prueba de que algo estuvo mal en el proceso de enseñanza-aprendizaje que hace recomendable replantearse los criterios de corrección (puede obtenerse además, algo positivo de eso; comprobar que existen estos “puntos débiles” permite subsanarlos en futuras ediciones de las guías o unidades didácticas).
• Tan importante como la evaluación de los alumnos es la del profesor y el tutor por aquellos. Debe permitirse que todos los años ambos enseñantes reciban su “nota” de los estudiantes. Ello redundaría en una mejora del proceso de enseñanza-aprendizaje.
• Los propios profesores deben reflexionar al final del curso y autoevaluar su tarea docente analizando la labor desarrollada, el cumplimiento de los objetivos previstos y el nivel de conocimientos alcanzado por los alumnos de los que han sido responsables.

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[1] Mary Jo Nye (1993).

[2] Y. Guerasimov (1977) asegura que M. V. Lomonósov acuñó y definió el término y la ciencia Química Física en 1752, al impartir entre este año y 1754 un curso en la Academia rusa de Ciencias y escribir una Introducción a la físico-química verdadera, un Plan para el curso de físico-química (1752) y Experimentos de la físico-química (1754). Según Davies (1992), Lomonósov escribió también, en 1751, Los principios de la química matemática, donde insistía en que la Química requería de métodos físicos y matemáticos para su desarrollo.

[3] Harold Urey (1933). Según Nye (1993), en el curso del siglo XIX la Química se había convertido en una disciplina diferente que la Física, pero al final de la centuria se había producido una reconvergencia de ambas tradiciones.

[4] Slater (1939).

[5] Laidler (1995).

[6] Atkins (1994).

[7] Dykstra (1997).

[8] Levine (1996).

[9] Senent (1983).

[10] Vemulapalli (1993).

[11] Guerasimov (1977). Incidentalmente diremos que este autor opina que la Química Física estructural vino en apoyo de las tesis materalistas de Lenin frente a las idealistas de la Termodinámica de Ostwald (!).

[12] Lesk (1982).

[13] No queremos aventurarnos por esos terrenos, pero Spengler (1923) lo hace maravillosamente en el capítulo “La física fáustica y la física apolínea”de La decadencia de Occidente. Además, sin recurrir a los filósofos: durante unos años impartimos la tutoría de Química General para químicos y para físicos y pudimos comprobar la existencia de dos “espíritus” distintos.

[14] El New York Times publicaba no hace mucho (27-09-00) los “diez retos más intrigantes de la física”, elegidos por un grupo de físicos en una conferencia en la universidad de Michigan en 2000. Para que quede claro que hay aspectos de la Física que claramente “no proceden” en un currículum académico químico –lo que no impide que a un químico le interesen– indicaremos que se referían a los “parámetros medibles adimensionales” del universo, la gravedad cuántica, cómo entender el valor de la vida media del protón, si la naturaleza es o no supersimétrica, por qué hay una dimensión temporal y tres espaciales precisamente, por qué es constante la constante cosmológica y tiene ese valor, cuántos grados de libertad tiene la teoría M, la paradoja de la información del agujero negro, la enorme disparidad entre la escala gravitatoria y la de la masa de las partículas elementales, y el confinamiento de quarks y gluones en la cromodinámica cuántica así como la existencia de un intervalo de masa.

[15] Decimos esto en el sentido en que Whitehead diferenciaba la Física de la Biología: la primera, según él, estudia los organismos simples; la segunda, los complejos (¿hay algo más complejo que la vida?).

[16] Afirma Scerri (2000), filósofo de la química –una rama muy reciente de la Filosofía de la Ciencia– que en realidad, epistemológicamente hablando, leyes sólo las tiene la Física (como cuerpo de conocimientos lógico-deductivo que es). La Química sólo tiene dos o tres leyes propias, entre otras la ley periódica. Las demás que utiliza, los epistemólogos las consideran “físicas”.

[17] Y ya que hablamos de esta, la Química Física ha aportado elementos para su fundamentación teórica, pero sobre todo la usa para dar soluciones a los problemas de la Química. La explicación última de los fenómenos espectroscópicos se considera reservada a la Física (un químico físico no necesita saber todo lo concerniente a la naturaleza y producción de láseres).

[18] Castellan (1983).

[19] Ya Ostwald publicó un texto “para poner a la Química Analítica sobre una base teórica coherente con la nueva Química Física” (Johnson (1990)).

[20] El que fuera Catedrático de Química Orgánica Aplicada a la Farmacia y luego de Química Biológica José Carracido, uno de los más eminentes profesores de Química que ha dado la Universidad española, ya reconocía en 1903, en un discurso en la Academia de Ciencias, que la estructura y funciones de la célula no eran sino consecuencia de procesos físicos y químicos entre los componentes celulares. Y en una lección inaugural del curso de 1911-12 abundaba en esta idea explicando que la Química Física “interviene en la exploración de las fuentes materiales y energéticas de donde surge el proceso de la vida” (Fernández (1929)).

[21] Dobson (2002).

[22] Levine (1996).

[23] Citado en Noggle (1985).

[24] El epistemólogo español Gustavo Bueno (1982), refiriéndose a la relación entre la Física y la Química, considera que “no hay ciencias, hay problemas, y estos suelen ser interdisciplinares”. “El correcto planteamiento [de estos problemas] requiere precisamente su inserción en una categoría determinada y su correlativo desmarcamiento respecto de otras categorías colindantes. (…) Más aún, si hay problemas interdisciplinares es porque hay disiciplinas diferentes, las cuales suponen, de un modo u otro, categorías diferentes”. Bueno reconoce que “contra esta perspectiva categorial se enfrenta siempre la concepción de la ciencia unitaria o bien la idea de que las divisiones que separan las diferentes ciencias son externas, convencionales (de origen administrativo ‑burocrático, por ejemplo‑)”.

[25] Noggle (1985).

[26] Senent (1983).

[27] Moore (1972).

[28] Heald y otros (1974).

[29] Atkins recurre a esto en las explicaciones termodinámicas mediante sus “justificaciones moleculares”.

[30] Un inconveniente práctico a todo esto lo presentan las compartimentaciones estancas de las partes de la Química Física en los currículos actuales, pero obviamos este matiz por el momento. Más tarde lo retomaremos.

[31] McQuarrie y Simon (1997).

[32] Según Levine (1996) la Termodinámica estudia macroscópicamente “las relaciones entre la temperatura y las propiedades macroscópicas de la materia”. Destaca que es una ciencia independiente de cualquiera de las teorías de la estructura molecular, aunque es justificable por la Mecánica Estadística.

[33] Valora Glasstone (1979) que “la electroquímica suministra un excelente ejemplo de cómo la Química Física trata de la interacción entre energía y materia”.

[34] Nye opina que fueron los logros de la Termodinámica, especialmente sus aplicaciones a la química de las disoluciones y la Electroquímica, los que condujeron al establecimiento de la Química Física como una disciplina científica nueva, a cargo de los llamados ionistas, a finales del siglo XIX. Estos definían su propósito como una “Química teórica” destinada a superar los dominios de la Física y la Química.

[35] Toomey (2001). En realidad nos parece que este mismo argumento puede usarse en sentido contrario para alumnos de 3º de Licenciatura porque ya tienen información previa sobre la estructura atómica.

[36] Kovac (1998).

[37] Noggle obra –permítase el paralelismo– como Julio Cortázar en su libro Rayuela.

[38] Por ejemplo, es difícil medir por calorimetría directa el calor de vaporización de una sustancia que hierve a muy bajas temperaturas. Sin embargo, si suponemos que la fase gaseosa es un gas ideal, se puede aplicar la ecuación de Clausius-Clapeyron y determinarlo a partir de medidas de presión de vapor en función de T. Otro ejemplo: la ecuación que da el cambio de energía interna de una muestra en una expansión a T constante permite investigaciones sobre las fuerzas cohesivas en una sustancia (pues estas son responsables del cambio de energía en dicho tipo de expansión) midiendo cambios de p, V y T.

[39] Eggers (1967).

[40] Según Norman (2001) este texto refleja la forma de ver la Química Física de una escuela de clara orientación teórica, la de Química Física de la Universidad de Chicago.

[41] Según Kovac (1998).

[42] Rosenberg (1977).

[43] Glasstone (1979).

[44] Un problema del día puede dar pie a una ideal transmisión del conocimiento. El diagrama de fases del fuel del petrolero hundido Prestige, sin ir más lejos, puede usarse como arranque para ir después devanando una larga madeja físicoquímica (al menos, termodinámica), incluyendo los marcos teóricos necesarios.

[45] Con el símil del cuadro que estamos empleando, podríamos empezar la figura por donde el alumno pidiera: el rostro, las manos… Para el pintor ideal, el orden en la ejecución del lienzo debería ser irrelevante, e incluso podría ir construyendo el marco simultáneamente conforme a la estética que le vaya sugiriendo la creación pictórica que está naciendo.

[46] Excepto si el profesor es como uno de esos maestros de ajedrez capaces de jugar 50 partidas a la vez. Aun así, le faltaría tiempo.

[47] Sólo podría seguirse un esquema “pseudoideal” si la Química Física se transmitiera presencialmente en un solo curso a un número pequeño de alumnos “buenos” o en más años por algún sistema de flexibilización del currículum (por ejemplo, repitiendo cada año los mismos contenidos, pero profundización cada curso). Siguiendo con el símil de la pintura, para enseñar a pintar a una clase numerosa hay que seguir un método fijo, común para todos. Habrá que cuadricular el lienzo para que los peores dibujantes tracen la figura correctamente y habrá que enseñar la teoría del color para que los malos coloristas no incurran en estridencias plásticas.

[48] Atkins, por ejemplo, en la 5ª edición de su obra Química Física decide adelantar la teoría cinética de gases al capítulo 1 y algunos aspectos de superficies los pasa del 5 al 28. También altera el orden de aparición de los fenómenos de transporte. Moore, por su parte, adelanta en su 5ª edición de Physical Chemistry la Mecánica Estadística, fruto de una idea pedagógica nueva, según declara.

[49] Tsaparlis (2001).

[50] Según indica Martín del Pozo (2001).

[51] Este es el modelo clásico de Jakobson de un proceso de comunicación.

[52] Thomas (1990), citando The Art of Lecturing, recopilación de textos de Bragg y Faraday. (Traducción libre del autor.).

[53] Sobre todo en Cuántica, donde, como diría Nietzsche, hay que “filosofar a martillazos”, a base de matemáticas.

[54] Compruébese, por ejemplo, en Esteban y Navarro (1996), donde se demuestra cómo cabe sentar en un primer curso las bases globales de la Química Física con la sola excepción de conceptos avanzados como las superficies, los fenómenos de transporte y la electroquímica electródica (a pesar de lo cual se delinea claramente el concepto de sobrepotencial).

[55] Debería contener en unos pocos temas iniciales una visión general de la Química Física para luego ir ampliando estos contenidos. Puede darse, por ejemplo, una idea general del comportamiento de los gases, para en una segunda parte profundizar en propiedades más elaboradas y en una tercera hablar de los gases reales. Puede exponerse primero una idea general de la estructura atómica para más tarde detenerse y profundizar. La visión general inicial no debe abarcar muchos temas, pero debe ser suficiente para proporcionar al alumno un croquis general de lo que va a aprender. Al fin y al cabo, cuando los modernos métodos pedagógicos recomiendan que se inicien las lecciones diciendo al alumno qué va a aprender en ellas, están yendo por ese camino. Y cuando autores como Rock y MacQuarrie y Simon presentan sus índices con frases completas (no con telegráficos epígrafes), ya están permitiendo una primera aproximación general por el simple procedimiento de ir leyendo oración tras oración.

[56] Es como jugar al ajedrez; los neurólogos acaban de demostrar que es más cuestión de práctica y pericia que de inteligencia.

[57] Resalta el pedagogo Wicken que describir el desarrollo de las teorías en vez de presentarlas como algo dado puede animar a los estudiantes a responder más creativamente a nuevos problemas y datos empíricos (citado en Niaz (2000)).

[58] Jensen dice que nos puede proporcionar un anteproyecto sobre cómo organizar lógicamente los conceptos y modelos (citado en Niaz (2000)). Además, según Niaz, la perspectiva histórica facilita el “entendimiento conceptual” porque incorpora los “principios heurísticos” que guiaron a los científicos al elaborar sus teorías (Niaz (2000)).

[59] Un error extendido es que Bohr explicó las series de Balmer y Paschen, cuando parece demostrado que no conocía su existencia (Niaz (2000)).

[60] Dykstra renuncia a explicar el átomo de Bohr porque es incorrecto y antipedagógico, según afirma.

[61] Scerri (2000).

[62] Kauffman (1996).

[63] No estamos hablando de oídas: fuimos alumno de la UNED.

[64] Ahora, por ejemplo, se ha iniciado un proyecto, en fase experimental, de instalar en ellos “aulas virtuales de enseñanza superior” en las que el alumno tendrá acceso a toda la red telemática de la UNED.

[65] Wimar y Meierhenry (1969).

[66] Martín del Pozo (2001)

[67] En cuanto a los estudios de Tercer Ciclo a distancia, nuestra propuesta concreta pasa por: a) reunir a los alumnos presencialmente al menos una vez; b) facilitarles vía web o por correo ordinario fotocopias de una serie de artículos (unos 30) sobre un tema monográfico; c) pedirles tres ensayos al año sobre sendos temas de este tipo; d) exigirles una comunicación fluida con el profesor.

[68] Martín del Pozo (2001).

[69] Toomey (2001) demuestran que se pueden poner exámenes que efectivamente midan conocimientos sin exigir memorizaciones. .

[70] Que tomamos de nuestra actual Rectora, la profesora Araceli Maciá, según declaraba en una entrevista con la prensa cuando tomó posesión (El País, 26-11-2001, p. 37).

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Bibliografía consultada para la redacción de este proyecto docente

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• Castellan,G. W. (1983), Fisicoquímica, Addison-Wesley Iberoamericana, 1987.
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• Esteban, Soledad y Raquel Navarro (1996), Química General, UNED.
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• Gago, R. (1988): “Cultivo y enseñanza de la química en la España de principios del siglo XIX”, en Ciencia y sociedad en España (José Manuel Sánchez Ron, ed.), Ediciones El Arquero/CSIC.
• Gensler, W., J. Chem. Ed., 47, 154-155.
• Glasstone, Samuel (1979), Tratado de Química Física, Aguilar, 7ª ed.
• Guerasimov, Ya., V. Dreving, E. Eriomin, A. Kiseliov, V. Lebedev, G. Panchenkov y A. Shliguin (1977), Curso de Química Física, tomo I (2ª ed.), Ed. Mir.
• Heald, C. y A. C. K. Smith (1974), Applied Physical Chemistry, The MacMillan Press Ltd., Londres
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• Johnson, Jeffrey Allan (1990), The Kaiser’s  Chemists (Science and Modernization in Inperial Germany), The University of North Carolina Press
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• Levine, Ira N. (1996), Fisicoquímica (2 vol.), 4ª ed. en castellano (trad. de la 4ª ed. en inglés), McGraw-Hill/Interamericana de España.
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• Noggle, Joseph H. (1985), Physical Chemistry, Little, Brown & Co.
• Nye, Mary Jo (1993), From Chemical Philosophy to Theortical Chemistry, Dynamics of Matter and Dynamics of Disciplines, 1800-1950, University of California Press.
• Rock, P. A. (1983), Chemical Thermodynamics, University Science Books / Oxford University Press.
• Rosenberg, Robert M. (1977), Principles of physical chemistry, Oxford University Press.
• Scerri, Eric R. (2000), “The New Philosophy of Chemistry and its Relevance to Chemical Education”, Chem. Educ. Res. Pract. Eur., 1(3), 315-322.
• Spengler, Oswald (1923), Der Untergang des Abendlandes; versión castellana: La decadencia de Occidente, Espasa (Austral), 1998.
• Schwenz, Richard W. y Robert J. Moore (editores) (1993), Physical Chemistry, Developing a Dynamic Curriculum, American Chemical Society, Washington.
• Senent Pérez, Salvador (1983): Aportaciones de la Química Física al desarrollo de las ciencias de la vida, discurso de ingreso en la Real Academia de Medicina y Cirugía de Valladolid, ed. del autor.
• Slater, John Clarke (1939), Introduction to Chemical Physics, McGraw-Hill.
• Thomas, J. M. y I. M. McCabe (1990), “The legacy of Lawrence Bragg” Ed. Chem., 27, 156.
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• Tsaparlis, Georgios (2001), “Towards a meaningful introdcution to the Schrödinger equation through historical and heuristic approaches”, Chem. Educ. Res. Pract. Eur., 2, 203-213.
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II. Programas de 4 asignaturas

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III. Bibliografía / Material didáctico

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Apéndices

Presentación del proyecto

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Exposición del tema Complejos de inclusión de ciclodextrinas – Interacciones moleculares y técnicas de investigación en Química Física

Idoneidad y objetivos

            El tema que queremos exponer puede resultar idóneo para una tutoría semanal de la UNED de la asignatura Química Física I (Espectroscopía y Estados de agregación) para mostrar a los alumnos cómo se aplican en la investigación científica los conceptos aprendidos. Se trata de un trabajo de investigación que llevamos a cabo durante el pasado año. Su discusión se hará en términos de lo que puede comprender un alumno de Química Física general.

            La clase la puede impartir el profesor de la Sede Central o el tutor, siguiendo las indicaciones de aquel. En una tutoría real, se puede dar este tema antes de iniciar el cuatrimestre. En ese caso resultará útil porque motivará al estudiante y lo preparará para asimilar los conceptos que se le van a explicar posteriormente. También se puede impartir al final, y en ese caso servirá para fijar esos conceptos y justificarlos.

El tema permite al estudiante familiarizarse con algunas técnicas espectroscópicas (sobre todo RMN e Infrarrojos, con alguna referencia a la difracción de rayos X), así como estadísticas y computacionales. Concretamente, se le ilustra sobre el cálculo por RMN de la estequiometría de un complejo (método de Job) y su constante de equilibrio. También se comenta el ajuste lineal y no lineal de curvas por mínimos cuadrados, así como el tratamiento de errores.

En una discusión final sobre las fuerzas de interacción en el tipo de complejo que se presenta, se da un repaso a las fuerzas intermoleculares relacionándolas con los factores energéticos aparejados, es decir, con su termodinámica, en términos sobre todo de la entropía y la entalpía del proceso.

Introducción

            En una primera parte introductoria se presentan las dos moléculas objeto de estudio, la ciclodextrina (CD, en sus variedades α, β y γ, que se diferencian por su distinto tamaño) y el fenbufeno (FEN, un fármaco antiinflamatorio), y se prepara al alumno para que entienda cómo se produce físicamente el fenómeno de la inclusión (figura 1). También se explica cómo se preparan las muestras.

Resonancia magnética nuclear

            Se presentan los contenidos teóricos que van a ser necesarios para entender el tema. Se explica que los núcleos puede considerarse que experimentan un giro clásico (espín nuclear, con un momento angular intrínseco), por lo que –al estar cargados– se comportan como pequeños imanes, con un dipolo magnético asociado cuya orientación vectorial es aleatoria. Al poner una muestra que contenga átomos de hidrógeno en un campo magnético estos dipolos se orientan a favor o contra de él, ejecutando un movimiento de precesión que es consecuencia de la suma de dos factores: la inercia rotacional del protón y la tendencia a orientarse en el campo. La precesión tiene una frecuencia w llamada de Larmor que es proporcional al campo aplicado. El valor de cada dipolo depende, entre otros factores, de un número I llamado de espín, que en el hidrógeno puede valer -1/2 y +1/2.

El campo magnético rompe la degeneración energética en que se hallan los dipolos, generando una escisión en dos niveles de energía separados una cantidad hn que es del orden de la energía de las ondas de radio. Los espines de I = +1/2 quedan en el nivel inferior, que está ligeramente más poblado (del orden de 10 unidades en un millón). Si ahora se irradia con energía hn se produce una transición con la consiguiente absorción de esa energía, lo que un dispositivo adecuado puede registrar, dando lugar a un espectro de RMN de protones.

            Luego se detalla que en realidad cada protón absorbe a un campo magnético aplicado diferente del de los demás protones, como consecuencia de que el campo efectivo que siente es distinto debido a la circulación de electrones en las diferentes partes de la molécula, lo que origina campos magnéticos opuestos al principal, creándose una anisotropía espacial, con zonas de apantallamiento y de desapantallamiento. Por todo ello, en el espectro cada protón tiene su propio desplazamiento químico, y eso sirve para identificarlo según tablas de correlación.

También hay que tener en cuenta que cada protón “ve” a sus vecinos en distintas situaciones de orientación de espín. Esta dependencia, llamada “acoplamiento”, hace que la señal de cada protón aparezca desdoblada. El fenómeno se puede observar en un espectro registrado con la suficiente resolución. La separación de las señales, llamada constante de acoplamiento, proporciona información geométrica.

            Se presenta a los alumnos un espectro de ciclodextrina y otro de la mezcla de esta especie con fenbufeno, para que vean cómo cambian las señales, prueba de que efectivamente se ha formado el complejo. Y seguidamente se explica en qué consiste el método de Job para calcular la estequiometría de complejos de este tipo con datos de RMN. Aquí se apela a un conocimiento elemental de funciones, máximos y mínimos y concepto de la derivada. Determinada la estequiometría (que resulta ser de una molécula de fenbufeno por molécula de βCD y dos moléculas de fenbufeno por una de γCD) se calcula la constante de equilibrio por un método de ajuste lineal de mínimos cuadrados. Se ajusta la curva de variación experimental de los desplazamientos químicos observados (cuando a la disolución se le van añadiendo distintas cantidades de fenbufeno) a una curva analítica teórica que es fácil calcular. Ello da como parámetro ajustado el valor de K. Esta operación permite también comparar cómo se ve afectado el desplazamiento químico de cada protón con la complejación, lo que sirve para estimar inicialmente la geometría del complejo.

Cálculos de mecánica molecular

            Se trata ahora de comprobar si la geometría que hemos propuesto para el complejo es acertada. Para ello nos valemos de métodos de mecánica molecular que busquen la geometría más estable del complejo (la de menor energía). Lo hemos hecho usando el campo de fuerzas llamado MM+, que se ha revelado como especialmente útil en otros sistemas análogos, porque los resultados son semejantes a los obtenidos por métodos semiempíricos pero con un costo computacional mucho menor.

            Se explica al alumno que lo que se persigue es calcular la energía de las moléculas que forman el complejo. Estos métodos lo hacen sumando una serie de contribuciones energéticas en base a una fórmulas aproximadas (de Hooke para las energías de vibración, de Lennard–Jones para las de Van der Waals, etc.) y usando unos parámetros almacenados (para constantes de fuerza, ángulos típicos, etc.). Conocida la energía inicial se calcula con los algoritmos adecuados la “dirección” en que esa energía va disminuyendo. Queremos decir con esto que la molécula puede representarse como un punto en una superficie de energía potencial que tiene una serie de máximos y mínimos, relativos y globales. El algoritmo va “buscando” los fondos de los valles, donde la geometría molecular es más estable.

Se obtienen como resultados una geometrías muy parecidas a las que supusimos. Y, es más, el método predice que no se forma complejo entre el fenbufeno y el pequeño anillo de αCD (quizá por impedimentos estéricos), conforme al resultado experimental.

Espectroscopía infrarroja

            Se conoce por rayos X que la molécula de CD sólida contiene dentro de la cavidad un número determinado de moléculas de agua, y otras en el espacio entre moléculas de CD. Estas moléculas mantienen estadísticamente posiciones fijas. Se ha comprobado en otros complejos que la introducción de una molécula dentro de la cavidad de ciclodextrina provoca la expulsión de algunas de esas moléculas de agua. Para conocer el mecanismo es útil saber exactamente qué moléculas de agua salen. Hemos querido aportar algo a este estudio mediante la espectroscopía IR.

            Antes de todo, se introduce al alumno en los fundamentos de la técnica. Se le explica que las moléculas ejecutan movimientos oscilatorios constantemente, lo que lleva aparejados cambios periódicos en los momentos dipolares a una frecuencia dada. Cuando se irradia la molécula con la energía de esa frecuencia, la molécula la absorbe y pasa a un nivel energético superior que implica amplitudes de vibración mayores.

            El movimiento de una molécula de N átomos se puede descomponer en 3N – 6 movimientos o modos normales de vibración. A cada modo de vibración se le puede asociar un conjunto de niveles de energía (de diferente separación), de modo que cuando pasa radiación se excitará el modo que cumpla la condición de resonancia entre la separación energética de sus niveles y la energía irradiada. Haciendo pasar radiaciones de diferentes longitudes de onda (haciendo un barrido continuo, por ejemplo) un detector adecuado podrá medir las absorciones correspondientes. Eso es el espectro IR. Las señales tienen cierta anchura porque cada nivel de energía vibracional lleva asociados otros de energía rotacional, entre otras razones. (En estado gaseoso pueden diferenciarse las transiciones entre niveles rotacionales de distintos vibracionales, pero no en estado líquido, en que se observa una banda envolvente global).

            Para saber qué moléculas de agua son expulsadas de la cavidad de la CD, tenemos que saber primero dónde aparecen bandas de vibraciones de esas moléculas en el espectro. El problema es que aparecen solapadas entre sí y con las tensiones OH de la CD, formando una ancha banda a unos 3500 cm^-1. La solución pasa por descomponer la banda envolvente en sus contribuciones.

            Para conocer estas contribuciones un método es someter la banda a una derivada matemática, ya que así se intensifican los cambios de pendiente de la curva envolvente global. Pero no nos vale en este caso porque con bandas tan anchas los resultados pueden no ser reproducibles (depende del algoritmo empleado para derivar y de qué parámetros empleemos para ello).

Hemos ideado un recurso basado en comparar los espectros de la CD sólida con diferentes grados de humedad. Hemos razonado del siguiente modo. Puesto que la intensidad de absorción de una banda es proporcional a la concentración de la especie responsable de dicha banda, las componentes del perfil global correspondientes al agua deben reducirse a medida que vamos secando, no así las componentes debidas a OH de CD (ya que se asume que los enlaces de H en que están implicados estos OH no se alteran con la desecación, lo que han comprobado otros autores por Raman).

El recurso consiste en ir restando dos a dos los espectros de CD, uno húmedo menos otro más seco. En la suposición anterior hecha, las bandas de diferencia que se obtengan deben corresponder exclusivamente a agua. De este modo, localizamos la posición de las bandas de agua (su frecuencia) en la envolvente global. Una vez obtenido el espectro de diferencia lo hemos “ajustado” por métodos no lineales de mínimos cuadrados. Se han revelado cuatro componentes, debidas al agua (figura 2).

Con esas componentes como punto de partida más dos componentes que deducimos debidas a los OH de la ciclodextrina, ajustamos los espectros reales uno a uno. De este modo hemos descompuesto el perfil global en contribuciones individuales. Una representación de las áreas de las componentes frente al grado de humedad nos sirve para confirmar que hemos resuelto el problema (al menos parcialmente), ya que dos de las bandas atribuidas al agua tienen ordenada en el origen 0 y pendiente distinta de 0, y las atribuidas a los OH de CD tienen pendiente 0.

Interacciones moleculares

            Discutimos finalmente qué interacciones pueden darse entre la ciclodextrina y el fenbufeno. Hacemos un repaso a las de Van der Waals, hidrofóbicas, electrostáticas, de enlaces de hidrógeno, de relajamiento de la tensión conformacional y de expulsión de moléculas de agua, con consideraciones termodinámicas referidas a la entalpía y la entropía del proceso. Llegamos a la conclusión de que las dos primeras son las más importantes y las otras dos determinan la geometría del complejo.

Bibliografía fundamental

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