LABORATORIO DE FÍSICA: UNA EXPERIENCIA SIGNIFICATIVA

LABORATORIO DE FÍSICA: UNA EXPERIENCIA SIGNIFICATIVA

Entre Ciencia e Ingeniería, ISSN 1909-8367
Año 3. No. 5 – Primer semestre de 2009, páginas 42 - 52
LABORATORIO DE FÍSICA: UNA EXPERIENCIA SIGNIFICATIVA
José Darío Agudelo Giraldo
Estudiante Magíster en Ciencias - Física
Ingeniero Físico
Docente Investigador Universidad de Manizales
Grupo de Investigación Laboratorio Física del Plasma
[email protected]
Pedro José Arango Arango
Estudiante Doctorado Ciencia e Ingeniería de materiales
Magíster en Física
Físico
Docente Investigador Universidad Nacional Sede Manizales
Grupo de Investigación Laboratorio Física del Plasma
[email protected]
Omar Antonio Vega
Estudiante Doctorado Ingeniería Informática: Sociedad de la Información y el Conocimiento
Magister en Educación, Docencia, Orientación y Asesoría Educativa
Ingeniero Agrónomo
Docente Investigador y Director del centro de Investigaciones Universidad de Manizales
Grupos De Investigación Desarrollo en Informática y Telecomunicaciones, Sociedad de la Información, Gestión
e Innovación el Conocimiento, Desarrollo en Geomántica y Medio Ambiente
[email protected]
Recibido Marzo 15 de 2009 / Aceptado Mayo 30 de 2009
SÍNTESIS
El presente documento constituye una propuesta pedagógica para la enseñanza de la Física
en pregrado y se diseña con el fin de hacer un aporte al desarrollo del aprendizaje
significativo, a partir de prácticas de laboratorio de alta precisión que disminuyan las dudas,
faciliten el entendimiento y permitan asociar los conceptos con la realidad práctica.
El enfoque de clase abarca desde la observación real del fenómeno físico, haciendo uso de
las nuevas tecnologías, hasta el hecho de justificarlo y explicarlo dentro de las teorías
establecidas.
Descriptores: laboratorios didácticos de precisión, estrategia metodológica, aprendizaje
significativo.
ABSTRACT
This document is a pedagogic proposal for the teaching of Physics at undergraduate level,
designed to make learning meaningful from practical laboratory of high precision which
reduces doubts, facilitate understanding and enable the concepts associated with the
practical realities.
The focus of the class ranges from observation of the real physical phenomenon, using new
technologies,
to
justify
and
explain
this
fact
within
the
established
theories.
Descriptors: didactic precision laboratories, methodological strategy, meaningful learning.
1. INTRODUCCIÓN
Las asignaturas universitarias relacionadas con el área de la Física son generalmente una de
las mayores razones para que se presente la deserción estudiantil. Si bien es sabido que
aprender Física genera dificultades, análisis pedagógicos realizados para esclarecer la
problemática hacen referencia a otras causas, la cultura de complejidad aumentada de la
teoría, la falta de herramientas que ilustren de manera práctica y precisa la fenomenología y
la carencia de un compromiso docente en la consulta e investigación para la enseñanza
(Cravino y Lopes, 2003 y Marulanda y Gómez, 2006).
La función del maestro no puede reducirse a la simple transmisión de la información ni a la
de facilitador del aprendizaje, en el sentido de limitarse a arreglar un ambiente educativo
enriquecido, esperando que los alumnos manifiesten por si solos una actividad
autoestructurante o constructiva. Antes bien, el docente se constituye en un organizador y
mediador en el encuentro del alumno con el conocimiento (Eggen y Kauchak, 2002).
El presente trabajo es el resultado de la ejecución y evaluación de una estrategia para la
enseñanza de la Física en pregrado, que pretende mejorar significativamente el nivel de
aprendizaje en la clase, utilizando laboratorios de precisión que demuestran evidentemente
las teorías planteadas y que cubren de mejor manera los diferentes estilos de aprendizaje.
2. METODOLOGÍA
La teoría constructivista y el modelo del aprendizaje significativo de Ausubel son, sin duda, el
marco referencial que tiene mayor consenso actualmente en el campo de la enseñanza de la
Física, es por ello que los educadores buscan estrategias didácticas que favorezcan el
aprendizaje significativo (Meza y Aguirre, 2002). El laboratorio debe ayudar a los estudiantes
a desarrollar una amplia gama de conocimientos básicos junto con herramientas de la física
experimental y análisis de datos (American Association of Physics Teachers, 1998). Los
experimentos, por sencillos que sean, permiten a los alumnos profundizar en el conocimiento
de un fenómeno, estudiarlo teórica y experimentalmente a la vez, y desarrollar habilidades y
actitudes propias de los investigadores (Carreras, Yuste y Sánchez, 2007).
En esta estrategia, se involucran, en el proceso enseñanza aprendizaje, las nuevas
herramientas tecnológicas para promover el aprendizaje significativo desde lo experimental.
El laboratorio es parte activa en la generación y reafirmación de conocimientos. La puesta en
marcha y evaluación de esta estrategia comprende la subdivisión de estudiantes en grupo
base y grupo de control, el desarrollo de una guía de laboratorio, la presentación de un
informe de laboratorio y la realización de un pre-test y un pos-test.
2.1 Grupo base y grupo de control alternos
La posibilidad de que estos dos grupos sean alternos, es decir, mientras se aplica la
enseñanza tradicional1 en un grupo, en el otro se implementa la estrategia de laboratorios,
para luego en la próxima sesión, intercambiar el grupo base por el grupo de control, permite
dar mayor claridad en la evaluación de la estrategia. La caracterización de los grupos control
y base, organizados para el desarrollo de la investigación, en el marco de las asignaturas
Física I y Física II, se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1. Caracterización de los grupos.
Características
Número de estudiantes
Número de hombres
Número de mujeres
Edad promedio (años)
Número de estudiantes repitentes del curso
Estudiantes con otros estudios superiores
Física I
Grupo 1
14
10
4
20
3
2
Grupo 2
14
12
2
19
1
1
Física II
Grupo 1
Grupo 2
14
13
12
9
2
4
20
19
4
2
1
0
2.2 Guías de práctica de laboratorio
La guía de práctica de laboratorio se encuentra dividida en tres partes: encabezado,
desarrollo y conclusiones. En el encabezado además de la información institucional y
personal de los estudiantes, se presenta la denominación de la práctica y el objetivo
específico de la misma. En el desarrollo se plantea una introducción teórica, algunas
descripciones técnicas de los instrumentos y de los materiales a utilizar, así como los
1
Hace referencia a los cursos que se dictan en un salón de clases, y que posteriormente utilizan la práctica de
laboratorio como una especie de retroalimentación de lo ya explicado.
procesos a realizar. Y por último, el estudiante tiene un espacio para que analice los
procesos y los resultados, y plantee sus conclusiones.
2.3 Desarrollo de la estrategia
Los conocimientos previos deben ser considerados, es uno de los fundamentos básicos de la
teoría constructivista utilizada para entender el aprendizaje de las ciencias (Eggen y
Kauchak, 2002). Para el caso del laboratorio Movimiento Rectilíneo con Aceleración
Constante, que se expone como ejemplo de la estrategia en este documento, debe darse un
acercamiento a conceptos como desplazamiento, velocidad, velocidad instantánea, velocidad
constante y aceleración instantánea.
Al iniciar el laboratorio, el profesor muestra el montaje experimental, sin adelantarse a
nombrar directamente el tema, explicando la variable que desea medir y como ha de
hacerse. Para el modelo específico, se trata de un carro sin motor adherido mediante una
cuerda a la polea de un sensor (Figura 1), el cual registra, en el computador, medidas de la
variable posición con respecto al tiempo, s(t) (Figura 2). La simplicidad en la explicación
técnica del experimento es esencial para enfocar la atención en el tema principal.
Vale la pena aclarar que los instrumentos utilizados para realizar las prácticas hacen parte
del Sistema Cobra3, de la empresa Phywe. Los ítems solicitados por software del sistema
son: el tipo de sensor utilizado, la selección de unidades, el diámetro de la polea, el número
de medidas por segundo, las variables a medir (posición, velocidad y aceleración, angular o
lineal) e indicar si la medida es automática con el inicio y el fin del movimiento, si es de tipo
manual o con un número máximo de datos de almacenamiento.
Acudiendo a los conocimientos previos de matemáticas, los estudiantes confrontan los
resultados con el fenómeno físico. Debe permitírseles establecer la correlación, esto es,
generar una discusión para hacer la primera aproximación al fenómeno. Enfrentar el
estudiante al fenómeno físico es una estrategia para que se formule la pregunta del por qué
de ese fenómeno y que la respuesta se convierta en la motivación para la elaboración de un
formalismo. Es aquí donde la experimentación se convierte en un recurso didáctico valioso
en el proceso de aprendizaje (Marulanda y Gómez, 2006). En particular, algunos estudiantes
pueden establecer que este movimiento se describe mediante la ecuación de la parábola
s(t)=At2+Bt+C, lo que implica la necesidad de indagar sobre las constantes A, B y C. Los
valores de éstas se determinan mediante el método de regresión cuadrática en una hoja de
cálculo (Figura 3). La precisión del equipo en la toma de los datos y su correspondiente
manipulación es clave en esta estrategia, ya que evidencia claramente el fenómeno y su
representación, permitiendo una mejor comprensión.
Figura 1. Ensamble del laboratorio modelo.
Figura 2. Ejemplo de un resultado experimental en el laboratorio modelo.
Figura 3. Ejemplo de un resultado de línea de tendencias en el laboratorio modelo.
Seguidamente, se abre un espacio de discusión para darle significado físico al fenómeno, en
el caso particular a las constantes A, B, C. Se busca de determinar a C como posición inicial,
si C es matemáticamente el corte con el eje, entonces es la distancia en el tiempo cero ó So
(Figura 4). Luego, se aborda un concepto fundamental: la velocidad es la primera derivada
de la posición con respecto al tiempo, aplicándolo a la ecuación general de la parábola, que
describe la posición con respecto al tiempo, se obtiene la ecuación general de la velocidad,
dando como resultado una recta. Por lo tanto el significado físico de B, en analogía con s0, es
el intercepto con el eje v y es vo.
Figura 4. Deducción matemática del significado físico de las constantes B y C a partir de la
experimentación.
En este momento se realiza una demostración práctica: El software del equipo también
permite demostrar que la velocidad es lineal ratificando la aplicabilidad de la derivada (Figura
5).
El procedimiento siguiente consiste en demostrar que el movimiento en línea recta descrito
por una parábola, trata de una aceleración constante. Demostrada ya la contundencia de la
derivada, se introduce el siguiente concepto: la aceleración es la derivada de la velocidad
con respecto al tiempo, o lo que es igual: la aceleración es la segunda derivada de la
posición con respecto al tiempo. El respectivo reemplazo de A, B y C y algunos
procedimientos algebraicos conllevan a las fórmulas generales (Figura 6).
Figura 5. Resultado experimental velocidad contra tiempo.
Figura 6. Demostración de aceleración constante y deducción de las fórmulas generales.
El último paso de este procedimiento consiste en relacionar el ejercicio de laboratorio con las
fórmulas obtenidas, hacer evidente la posibilidad práctica de establecer relaciones entre la
experimentación con el aprendizaje de nuevos conceptos físicos. En el enfoque
constructivista, tratando de conjugar el cómo y el qué de la enseñanza, la idea central se
resume en la siguiente frase: “enseñar a pensar y actuar sobre contenidos significativos y
contextuados” (Díaz y Hernández, 2002), para el caso, conducir a una explicación teórica los
resultados experimentales posición contra tiempo y velocidad contra tiempo (Figuras 2 y 5).
Con la estrategia, la experimentación es una ruta para el conocimiento y promotora de un
aprendizaje significativo, siempre que las herramientas generen resultados verdaderamente
contundentes para el entendimiento.
2.4 Evaluación del aprendizaje
La evaluación se realiza mediante la aplicación de un pre-test individual enfocado a evaluar
conceptos y razonamientos más que procedimientos; un pos-test individual, cuyo objetivo
principal es la valoración, las observaciones del docente durante el desarrollo del ejercicio y
un informe de laboratorio grupal presentado por dos estudiantes. El laboratorio debe ayudar
a los estudiantes a desarrollar el aprendizaje en Habilidades de grupo que son esenciales
para el éxito de muchos esfuerzos de toda la vida (American Association of Physics
Teachers, 1998).
3. CONCLUSIONES
Integrar experimentación y base teórica para construir conocimiento significativo es
pertinente y lleva consigo un grado de complejidad que exige del docente: conocimiento
temático, manejo de las herramientas y preparación pedagógica.
El factor clave en el desarrollo de las prácticas es, sin lugar a dudas, la calidad de la
experimentación; esto es, equipos de baja incertidumbre, gráficas y tablas explicativas y
retro-alimentadoras.
La integración de varios instrumentos de evaluación permite conocer la capacidad de
razonamiento
de
los
estudiantes,
realizar
retroalimentación
de
conceptos
y
procedimientos, promover la escritura técnico-científica y determinar aspectos sensibles
difíciles de detectar con la evaluación tradicional.
La búsqueda creativa de estrategias para la enseñanza de las ciencias, debe constituirse
en una razón del quehacer docente, en procura de alcanzar aprendizajes significativos.
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