Download Una experiencia didáctica incorporando applets para la enseñanza

investigación educativa
Una experiencia didáctica incorporando
applets para la enseñanza de los principios
físicos del funcionamiento de espectrómetros
de masas
por Norah Silvana Giacosa, Silvia María Giorgi y Sonia Beatriz Concari
Resumen
Se presentan los resultados de una investigación relacionada con la enseñanza de dos
espectrómetros de masas en carreras de ingeniería. Se diseñaron y propusieron actividades para realizar en entornos virtuales usando applets de acceso libre. Se analizaron
encuestas, informes de trabajos grupales y las resoluciones de un problema de examen
para describir las apreciaciones de los alumnos y los resultados académicos logrados. La
mayoría de los alumnos desea replicar la experiencia con otros temas. El uso de estos
recursos posibilitó que los estudiantes diferencien los espectrómetros y promovió la
comprensión de los principios físicos en los que se basan sus funcionamientos.
Abstract
The results of an investigation related to teaching two mass spectrometers in engineer
careers are presented. Activities to realize in virtual environments using free applets
were designed and proposed. Individual surveys, group reports and the resolutions of
an examination problem were analyzed to describe the students’ appraisals and the
academic results. The majority of the students considered the experience highly positive
and they opined that they would like to replicate it on other topics. The use of these
computational resources makes it possible for the students to differentiate the
spectrometers and promotes the comprehension of the physics principles of the
spectrometer functioning.
Introducción
Las tecnologías de la información y la comunicación (TICs) revolucionaron las formas de acceder y relacionarse con
el conocimiento. Su novedad no reside en los recursos semióticos aislados que utilizan sino en la integración de ellos para
Las autoras son integrantes del proyecto de investigación “Relación entre modelos
empleados en la enseñanza de la física universitaria y modelos mentales de los
estudiantes” (PI 006-32 CAI+D 2005) financiado por la Universidad Nacional del
Litoral e integrantes del proyecto “Caracterización de la formación docente inicial en
física en Argentina” (PICT 2006 1427-BID 1728/OC-AR) subsidiado por la ANPCyT.
Dirección de contacto: norahgiacosa@arnet.com.ar
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
7
investigación educativa
crear eventualmente nuevos entornos de aprendizaje, que posibilitan operar y transformar la información de manera inédita. En la última Declaración de la Conferencia Regional de Educación Superior para América Latina y El Caribe (CRES, 2008) se afirma que las
TICS se expandirán aceleradamente y su uso en los procesos educativos desempeñará
un papel preponderante en la formación de competencias de los futuros profesionales.
En nuestro país, uno de los temas prioritarios para las universidades nacionales argentinas, según el Programa Estratégico de Investigación y Desarrollo del Consejo
Interuniversitario Nacional, es TICs en Educación Superior (UNL, 2009).
Ahora bien, la introducción de TICs en contextos educativos requiere indefectiblemente de nuevas competencias docentes que sólo se logran a través de un
arduo proceso de capacitación. Este proceso debe incluir: la toma de contacto con
las mismas, la reflexión acerca de su potencial utilidad para enseñar, la selección,
adaptación y complementación de estos recursos con estrategias didácticas específicas promotoras de procesos de construcción de conocimientos científicos y un
profundo reencuadre pedagógico (Concari et al, 2006).
Por otro lado, la comprensión de las leyes del electromagnetismo por parte de
los estudiantes de carreras de ingeniería, requiere -en general- de un gran esfuerzo
intelectual. En el estudio de los espectrómetros de masas de Dempster (EMD) y de
Bainbridge (EMB) se evidencian ciertas dificultades recurrentes en su aprendizaje.
Ellas están relacionadas con: la interpretación del movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y/o magnéticos, la identificación de partes y funciones
específicas del equipamiento y la diferenciación del funcionamiento de cada uno de
ellos. Las probables causas que obstaculizan el aprendizaje son: la formación previa
del estudiante, el nivel de abstracción de los conceptos involucrados, la escasa
integración teoría-práctica, los recursos didácticos clásicos que se utilizan para su
enseñanza y la ausencia de equipamiento específico en los laboratorios destinado
a la docencia, agravado por la imposibilidad de generar experiencias con materiales
de bajo costo.
Teniendo en cuenta lo antes expuesto y la variedad de recursos basados en TICs
de acceso libre que el docente puede utilizar actualmente en sus clases para
enriquecerlas, promover el trabajo colaborativo y generar ambientes más amigables
para aprender, el propósito de este trabajo es presentar una innovación pedagógica
que incorpora simulaciones computacionales para el estudio de los EMD y EMB. Se
presentan las apreciaciones de los estudiantes universitarios acerca de dicha innovación y los logros de aprendizaje en el contexto educativo donde se realizó la misma.
Las contribuciones de este trabajo y con el mismo, las intenciones de las autoras, son aportar elementos para promover la necesaria reflexión que impone el uso
de las TICs en procesos educativos y alentar a otros profesores comprometidos
con su tarea docente a proponer actividades didácticas que amplíen el campo de la
experimentación, extendiendo las fronteras de las aulas.
Seguidamente se exponen los referentes teóricos, los antecedentes que posibilitaron realizar el recorte del problema, el contexto educativo, los aspectos metodológicos
y los resultados. Se cierra con una síntesis de la experiencia presentada.
2. LOS APPLETS EN LA ENSEÑANZA DE FÍSICA. ANTECEDENTES
Entre las simulaciones empleadas para la enseñanza de la física se destacan las
dedicadas a la visualización gráfica de un proceso, o del comportamiento de un
sistema físico, realizada en formato de applets (application-let). Las mismas, tanto
en la enseñanza como en las aplicaciones prácticas de la ingeniería, constituyen
una herramienta valiosa con la cual se puede validar, o rechazar, hipótesis de trabajo
y tomar decisiones cuando prevalecen condiciones de incertidumbre. No obstante,
es importante destacar que un software de simulación está basado en un modelo
que no puede representar todos los aspectos de la realidad y que muchas veces en
8
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
su elaboración se utilizan herramientas de cálculo numérico que proporcionan resultados aproximados (Kofman, 2004).
Los applets de uso libre están diseñados para poder ser incrustados en una
página web y utilizarse directamente desde la misma. Sin embargo, existen algunos
autores que autorizan “bajarlos” e instalarlos en computadoras personales, lo cual
representa una ventaja importante a la hora de su uso en aulas que no cuentan con
conexión a Internet.
La modelización computacional de los applets puede ser cualitativa o cuantitativa (Bohigas et al, 2003). Mientras que la primera reproduce el fenómeno físico de
manera pictórica, la segunda permite, además, modificar los valores de algunas
variables independientes que intervienen en el mismo y obtener resultados numéricos de las variables dependientes. Ambas modalidades posibilitan la exploración
y visualización gráfica de la simulación dentro de determinados límites de validez
propios del programa.
Algunas ventajas del uso de las simulaciones como recursos didácticos en las
clases de física son:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Permite reproducir fenómenos naturales difícilmente observables de manera
directa en el laboratorio de física, ya sea por falta de equipamiento o por la
imposibilidad de construir prototipos de bajo costo.
Muestra el fenómeno a través de una animación gráfica, lo que supone un
valor añadido a las tareas educativas dirigidas a la representación de fenómenos o procesos.
Amplía las posibilidades de trabajo interactivo de los alumnos con representaciones o modelos de la realidad.
Posibilita modificar los valores de diferentes magnitudes, elaborar hipótesis, analizar las consecuencias de dicha manipulación, acercarse a conclusiones provisorias por aproximación y extraer conclusiones finales que posibiliten desarrollar los modelos mentales relacionados con el fenómeno en
estudio.
Facilita la integración de modelos teóricos con la experimentación en entornos
virtuales y la resolución de problemas de lápiz y papel.
Ofrece una amplia variedad de datos relevantes, que facilitan la validación
cuantitativa y cualitativa de las leyes físicas involucradas.
Permite realizar cálculos numéricos complejos, lo que facilita que el alumno
se concentre -en algunos momentos- en los aspectos más conceptuales del
problema y en su análisis cualitativo.
Aumenta el interés y la predisposición de los alumnos por aprender, lo que
constituye una de las condiciones más importantes que favorece el aprendizaje significativo.
Puede colaborar con la adquisición de: contenidos conceptuales relacionados con fenómenos físicos inaccesibles, contenidos procedimentales -tales
como la puesta a prueba de conjeturas, el control de variables, la elaboración de estrategias para la resolución de problemas; el registro e interpretación de la información, la manipulación de modelos analógicos, etc.-, y contenidos actitudinales relacionados con el reconocimiento del papel que juegan los modelos en la construcción del conocimiento científico, y el carácter
provisional y perfectible de los mismos.
Todos estos beneficios, quedan matizados por las siguientes consideraciones:
• Está limitado por el acceso que puedan tener los alumnos a ciertos recursos
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
9
investigación educativa
•
•
•
•
•
•
básicos como son, en el caso de los applets, computadora y conexión a Internet.
Dado que no todos ellos disponen en su domicilio de los recursos mencionados, podría dificultarse el uso de los mismos fuera del ámbito académico.
No pueden considerarse sustitutas de las experiencias reales.
Las actividades deben estar insertas en una planificación que le dé sentido
educativo, caso contrario se corre el riesgo de que se conviertan en juegos
electrónicos.
Es conveniente que el alumno cuente con una formación científica previa
que le permita analizar y comprender el fenómeno simulado.
Aunque constituyen una minoría, es bueno tener presente que existen alumnos que no encuentran ayuda en las simulaciones y prefieren las clases
tradicionales.
Para que las simulaciones cobren relevancia dentro de las planificaciones
de cátedra, los informes de las actividades realizadas deben integrarse como
otro instrumento más a los procesos de evaluación continua.
Insume tiempo y requiere estudio y dedicación por parte del docente.
En relación al procedimiento que siguen los alumnos cuando realizan experiencias simuladas con applets insertados en páginas web, García (1999) sostiene que
es el inverso al que utilizan en una clase o en un laboratorio de física: primero
buscan en el sitio los elementos más llamativos, en este caso el applet, luego si lo
precisan leen las instrucciones para su manejo y finalmente, sólo si lo necesitan,
describen el fenómeno físico. En una línea similar, y refiriéndose a la efectividad de
su uso, De Jong y Van Joolingen (1998) clasifican a los applets como programas de
aprendizaje por descubrimiento y recomiendan planificar tareas específicas destinadas a los alumnos, independientemente de que éstas se realicen en el contexto
de actividades presenciales, o a distancia, para que su uso sea efectivo.
Por otra parte, y relacionado con la frecuente afirmación que asigna a estos
recursos “per se” la función motivadora, Marchisio (2003) observa que ésta se
hace evidente sólo mientras el recurso en cuestión se constituya como novedad;
y que la mayor motivación, según afirmaciones de los alumnos, reside en la toma
de conciencia de su utilidad para la comprensión de contenidos clasificados como
difíciles por ellos.
En el nivel de educación superior pueden mencionarse, entre otros, algunos
trabajos que presentan resultados de estudios sobre la enseñanza de temas de
electricidad empleando simulaciones, abordando cuestiones tales como: las dificultades procedimentales en la resolución de problemas utilizando simulaciones
computacionales (Fogliati et al, 2004), la integración de actividades de laboratorio
real y laboratorio virtual (Lucero et al, 2000; Echazarreta y Haudemand, 2009), los
modelos implícitos en programas no comerciales (Catalán et al, 2005, Giorgi et al,
2005) y el uso de simulaciones de circuitos RLC como estrategia previa a las tareas
en el laboratorio real (Caballero et al, 2003). Otros estudios relativos a la enseñanza
de temas de magnetismo empleando simulaciones han estado centrados en la
integración de modelos teóricos con los implícitos en simulaciones y con actividades experimentales (Giorgi et al, 2004), en la comprensión de fenómenos de difícil
acceso experimental (Kofman et al, 2004), y en su uso como recurso para remediar
las dificultades conceptuales estudiadas (Kofman y Concari, 2000). De la búsqueda bibliográfica realizada no surgen estudios que den cuenta sobre los resultados
académicos de la utilización de simulaciones de espectrómetros de masas en el
nivel universitario.
3. METODOLOGÍA
3.1. El contexto educativo y los modelos físicos involucrados
La experiencia que se presenta en este trabajo se llevó a cabo el primer cuatrimestre
10
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
de 2009, con alumnos que cursaron la asignatura Física II correspondiente al segundo año de las carreras de Ingeniería Química e Ingeniería en Alimentos de la Facultad
de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales dependiente de la Universidad Nacional
de Misiones. Los contenidos curriculares mínimos de Física II incluyen: Electricidad,
Magnetismo, Electromagnetismo y Óptica. La carga horaria es de 112,5 horas
cuatrimestrales. Las clases, según el Régimen de Enseñanza vigente, se clasifican
en: Teoría, Coloquio y Laboratorio. Las actividades propuestas para ser desarrolladas en las dos últimas, resolución de problemas de lápiz y papel y realización de
experiencias de laboratorio, constituyen los Trabajos Prácticos de la materia cuyas
guías de actividades están disponibles en el Aula Virtual1 del curso.
Con el propósito de ampliar el conjunto de actividades de aprendizaje a ofrecer
a los estudiantes e introducir recursos didácticos que puedan favorecer la construcción de aprendizajes significativos (Ausubel et al, 1978) se analizaron los modelos físicos involucrados en dos software de simulación2 relacionados con el
funcionamiento de los EMD y EMB. El primero de los mismos permite determinar
los radios de las trayectorias descriptas por tres iones de isótopos conocidos y
uno desconocido. En la Tabla 1 se indican los modelos físicos y las ecuaciones
involucradas en sus funcionamientos.
Tabla 1. Principio de funcionamiento del espectrómetro de masas de Dempster
A partir del principio de conservación de la energía, se deduce que
un ión con carga q y masa m, luego de abandonar la cámara de
ionización e ingresar a un campo eléctrico generado por una diferencia
de potencial V, adquiere al egresar del mismo una velocidad final
cuya expresión se muestra en la Ecuación (1).
v=
La fuerza magnética que experimenta el ión al penetrar en la región
del campo magnético es proporcional a la carga q, a la velocidad v y
a la intensidad del campo magnético β. Como resultado de esta fuerza,
cada ión adquiere una velocidad angular constante y describe una
órbita semicircular, cuyo radio r está dado por la Ecuación (2).
r=
2.q.V
(1)
m
m.v
q.β
(2)
Con el segundo simulador se pueden hallar las masas de los isótopos de diferentes elementos e identificar el número de isótopos contenidos en una determinada muestra. En la Tabla 2 se presentan mayores detalles.
Tabla 2. Principio de funcionamiento del espectrómetro de masas de Bainbridge
El selector de velocidades está constituido por dos campos (eléctrico
y magnético) perpendiculares entre sí, y a la velocidad de la partícula.
Ajustando convenientemente las intensidades de los campos, se
puede lograr que los módulos y direcciones de las fuerzas magnética
y eléctrica sean iguales y sus sentidos contrarios. Cuando esto
ocurre, todos los isótopos, independientemente de sus masas,
adquieren una velocidad cuyo módulo es igual al cociente entre la
intensidad del campo eléctrico (E) y la del campo magnético (β1),
según la Ecuación (3), y describen una trayectoria rectilínea.
v=
Al ingresar perpendicularmente a la cámara de desviación, región en
la que se asienta el campo magnético β2, el ión experimenta una
fuerza magnética proporcional a la carga eléctrica q, a la velocidad
v y a la intensidad de β2. Estableciendo relaciones con las ecuaciones
de movimiento circular uniforme, se puede demostrar que el radio r
de la órbita semicircular que describe la partícula de masa m esta´
dado por la ecuación (4).
r=
E
β1
m.v
q.β 2
(3)
(4)
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
11
investigación educativa
Una vez seleccionados los applets que se estimaron adecuados a los objetivos
educativos del curso donde se proyectaban incorporar, se elaboró la Guía Didáctica3 que incluye, entre otras cuestiones, la descripción de los simuladores, el análisis
de sus alcances y limitaciones, los objetivos pretendidos y las actividades a realizar
con los mismos. Para poder trabajar con dichos recursos se requiere contar con
computadoras que tengan conexión a Internet e instalado el programa Java.
Las pruebas preliminares a la implementación de esta innovación en la cátedra
se iniciaron el año 2007. En esa experiencia piloto, se trabajó en horario extra-curricular,
en la sala de informática con dos alumnos por computadora y no se solicitó informe
escrito. En el año 2008, dada la imposibilidad de coordinar un horario antes de la
fecha prevista para el primer examen parcial de Trabajos Prácticos, se optó por
seleccionar dos actividades para que los alumnos realicen en grupo y en horario
extra-curricular. Previo a las actividades, en las clases de Teoría ya se habían explicado las leyes físicas involucradas en el funcionamiento de estos equipos, y en las
de Coloquio se habían resuelto los problemas relacionados. No obstante, se insistió en la importancia que podría tener realizar las actividades antes del mencionado
examen para integrar y afianzar los conocimientos. Se acordó un plazo para la presentación de un informe escrito. Los análisis de estos informes, así como también
de las respuestas dadas por los alumnos a encuestas realizadas con posterioridad al
parcial, permitieron contar con información valiosa para la toma de decisiones tendientes a mejorar la propuesta didáctica.
3.2. Recorte del problema
Parte de los resultados que aquí se exponen fueron obtenidos a partir de la
evaluación de los informes escritos elaborados por los estudiantes acerca de la
realización de dos actividades4 de la Guía Didáctica. Antes de encomendar dichas
actividades a los estudiantes se llevaron a cabo algunos reajustes con respecto al
año anterior. La presentación del simulador se realizó, con posterioridad a la clase
de Teoría en la que se desarrollaron los contenidos relacionados con el tema, al
inicio de una clase de Coloquio destinada a tratar el mismo. Una PC conectada a
Internet y un cañón proyector posibilitaron que toda la clase pudiera ver la animación de los applets mientras se hacían “correr”. Se explicaron cuestiones técnicas
concernientes al manejo de ambos programas. Se analizaron los modelos físicos
involucrados en cada uno de ellos, los principios en los que se basan los funcionamientos de los EMD y EMB y las diferencias entre los mismos. El resto del tiempo de
la clase de Coloquio se destinó a la resolución de problemas de lápiz y papel. La
fecha de entrega de los informes se fijó diez días antes del parcial, de manera de
poder realizar las correcciones y sus correspondientes devoluciones.
La experiencia acumulada en el transcurso de las prácticas previas determinaron
el recorte del problema y las preguntas orientadoras de este estudio: ¿Cuáles son
las apreciaciones de los alumnos frente a una innovación pedagógica que introduce simulaciones computacionales para el estudio de espectrómetros de masas? ¿El
uso de estas simulaciones computacionales en las actividades de enseñanza favorece los procesos de construcción de los conocimientos relacionados con los principios y leyes físicas involucrados en el funcionamiento de los espectrómetros? ¿El
rendimiento académico de los alumnos mejora cuando se utilizan estos recursos
didácticos?
Para responder a la primera de las preguntas se elaboró una encuesta semiestructurada teniendo en cuenta categorías de análisis tales como: experiencias
previas de los alumnos relacionadas con el uso de las TICs, dificultades operativas
para acceder a la guía de actividades, opiniones de los alumnos respecto: al diseño
de la guía, acerca de los posibles beneficios de utilizar los simuladores para promover aprendizajes, a aspectos estéticos, a la facilidad de operar con los materiales
12
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
propuestos, y valoración del tiempo demandado para llevar a cabo las actividades.
También se indagó acerca del lugar físico donde se realizó el trabajo práctico, la
modalidad preferida para la presentación de los informes, el tipo de participación en
el trabajo grupal, la autosuficiencia de la guía y los deseos de abordar otros temas
del Programa Analítico utilizando simuladores. Además, en dicha encuesta se dejó
un espacio para expresar sugerencias o cuestiones no previstas.
Para buscar respuestas a las otras preguntas planteadas, los informes escritos
de las actividades propuestas y las resoluciones de un problema del examen parcial
de Trabajos Prácticos, se constituyeron en los documentos (Martínez Mígueles,
1998) que se analizaron mediante la técnica de análisis de contenido (Bardín, 1996).
Las categorías utilizadas fueron: Bien, Regular, Mal y No contesta. Todas ellas se
construyeron con posterioridad a la corrección numérica. En el caso particular de la
categoría Regular, se asignó esta calificación cualitativa cuando el puntaje de valoración asignado estaba comprendido entre la mitad y el total del puntaje máximo
indicado en el instrumento de evaluación, según se establece en el Régimen de
Enseñanza. Dicha categoría se usó únicamente para evaluar el primer ítem del problema de examen relacionado con el tema. Posteriormente, se identificaron los errores más frecuentes de las actividades calificadas como Regular y Mal.
4. RESULTADOS
Se analizaron las resoluciones del único problema sobre espectrómetros incluido en el examen parcial que rindieron 67 alumnos, y 12 informes escritos grupales
acerca de las actividades usando simuladores elaborados por 54 alumnos, de los
cuales 52 rindieron el examen parcial. Por otro lado, se procesaron las encuestas
contestadas voluntariamente por 44 de éstos últimos alumnos.
El análisis de las respuestas volcadas en las encuestas arrojó como resultado
que 39 alumnos tienen PC en sus domicilios (transitorios o permanentes) de la
ciudad de Posadas, 23 admiten tener impresora y 27 poseer acceso a Internet. Todos
afirmaron utilizar el Aula Virtual en otras asignaturas y tener correo electrónico. La
frecuencia con que revisan la casilla de e-mail es variada (18 alumnos lo hacen
diariamente, 22 semanalmente, 3 quincenalmente y 1 mensualmente). Los alumnos
dicen no haber tenido dificultades para: acceder al Aula Virtual que aloja las guías
de actividades (42), “bajarlas” (41) e imprimirlas (38). En otras dificultades, pocos
alumnos especificaron: visualizar los gráficos (2), descargar Java (1), transportar las
imágenes a un procesador de texto (1) e imprimir en el cyber (1). Salvo estas últimas
cuestiones, los datos señalarían que los alumnos poseen experiencias previas en el
uso de las TICs, tanto en la vida cotidiana como en la académica.
Para 35 alumnos, trabajar con programas de simulación de fenómenos físicos ha
sido una innovación pedagógica ya que admiten no haberlo hecho antes. Al ser
interrogados sobre las distintas partes que conforman la Guía Didáctica, 31 alumnos sostienen que la Introducción fue “suficiente” y 13 afirman “no la leí completa,
sólo leí las actividades que había que presentar”. Las opiniones de éstos últimos
alumnos, estaría dando indicios del escaso hábito de lectura que algunos poseen, a
pesar de estar en un segundo año universitario. La gran mayoría de los alumnos
considera que los Objetivos fueron “comprensibles” (41) y “alcanzables” (36). Para
4 alumnos las Consignas fueron “poco claras”, para 22 “bastantes claras” y para los
18 restantes, “suficientemente claras”.
Con el propósito de conocer cómo valoran los alumnos el uso de los simuladores,
se les presentó un listado de cuestiones enunciadas como posibles logros conseguidos a través del uso de estos recursos informáticos. Los estudiantes debían
calificar cada cuestión en base a una escala según la cual, en el caso de considerar
que la utilidad ofrecida por el simulador para abordarla era máxima, debían asignarle
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
13
investigación educativa
5 puntos. Estas son sus opiniones ordenadas de mayor a menor según los promedios calculados de los puntajes de utilidad del simulador asignado a cada cuestión
presentada: a) diferenciar los EMD y EMB (4,4 puntos); b) comparar los resultados
de los problemas de lápiz y papel con los arrojados por el simulador (4,3), c) comprender mejor el funcionamiento de los espectrómetros de masas (4,2), d) resolver
los problemas de coloquio con mayor solvencia (4,1), e) afrontar en mejores condiciones el examen parcial de Trabajos Prácticos (4,0), f) experimentar, de manera
simulada, con equipamiento de difícil acceso real (4,0), y g) profundizar los contenidos temáticos y leyes físicas involucradas en sus funcionamientos (3,5).
A 40 alumnos les resultó “agradable” la estética del simulador y su manejo
“sencillo”. Los estudiantes dicen haber realizado el trabajo práctico en diferentes
lugares: 9 en la Facultad, 16 en su domicilio, 14 en casas de compañeros del grupo,
1 en la oficina del padre, 1 en un cyber y los restantes en una combinación de esos
lugares. La valoración del tiempo requerido para la realización del trabajo según los
alumnos, fue “razonable” para 36 de ellos no obstante, 4 alumnos lo consideraron
como “poco” y a otros 4 les resultó “excesivo”. Al ser consultados sobre la preferencia de la modalidad de presentación del informe, se aprecia que 26 alumnos
hubiesen deseado haberlo hecho por “correo electrónico”, 12 por “escrito”, 2 en
“soporte magnético”, a 2 les resultó indistinto y a los 2 restantes, mediante combinaciones de las modalidades citadas. Respecto a la participación en la actividad
grupal, se auto-evaluaron: “muy activa” (10), “activa” (27), y “pasiva” (7).
La presencia o ausencia de un profesor durante la realización de la actividad fue
juzgada de diferentes maneras, 14 alumnos admitieron que hubieran deseado contar
con un docente durante el desarrollo de la misma y 30 afirmaron que su presencia no
fue necesaria. Los motivos que esgrimieron los alumnos del primer grupo fueron
variados, pero se identificaron razones tales como: necesidad de consultar las dudas surgidas, hacer la tarea más rápidamente, aclarar conceptos y/o solucionar
problemas técnicos (visualización de los applets e instalación del Programa Java).
Algunas expresiones tales como: “…en el grupo teníamos diferentes maneras de
interpretar las consignas” o “ayudaría a la unión del grupo, orientaría a quien
no entendiera, sería un buen mediador” estarían dando cuenta de las dificultades
internas que surgieron en los grupos durante la realización de la tarea. Otras tales
como: “... corroborar si estamos bien encaminados...” o “algunas cosas no entendíamos en principio y necesitábamos consultar”, permiten inferir que el modo
tradicional de enseñanza, tan frecuente en algunas aulas universitarias, les resulta
cómodo, les otorga seguridad y no los somete al conflicto que representa la construcción de aprendizajes. En tanto que los del segundo grupo, de distintas maneras,
expresaron que los conocimientos previos de los que disponían, la explicación
realizada en clase, la descripción dada en la introducción y las consignas eran
suficientemente claras como para poder realizar el trabajo solicitado. En expresiones
tales como “...si uno lee un poco sabe como funciona” o “... se puede investigar”
se evidenciarían la autonomía que se puede promover con este recurso y la importancia de “aprender a aprender”.
Los comentarios realizados en el ítem “otras cuestiones que quiera expresar”, en
general, se refirieron a ajustes o recomendaciones que deberían realizarse para
próximas experiencias de esta naturaleza, entre las mismas los estudiantes solicitaron: que se trabaje más en la unión de los grupos, que los trabajos sean sintéticos
para que no les demande demasiado tiempo la elaboración de informes y hacer las
experiencias en la sala de informática de la Facultad, dada la dificultad que tienen
algunos estudiantes para acceder a Internet. Respecto al uso de simulaciones inte-
14
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
grados a la resolución de problemas de lápiz y papel, estas fueron algunas opiniones: “es buena idea para mejorar el aprendizaje, pero quizás falta más compromiso de parte de los alumnos”, “... implementar más simuladores por temas para
poder complementarlos con los coloquios...”, “la actividad me pareció muy buena porque ayudó mucho a interpretar la parte práctica”. Un aspecto importante
a resaltar es que casi todos los alumnos encuestados, 39 de 44 (87%), desean
abordar otros temas del Programa Analítico utilizando simulaciones computacionales.
De los 12 informes escritos de trabajos grupales presentados, se aprecia que 11
grupos pudieron describir el funcionamiento de un EMD y comprobar que los
radios de las trayectorias semicirculares descriptas por los isótopos del magnesio
son proporcionales a sus masas. Todos estos grupos transportaron a un procesador
de texto la pantalla del simulador seleccionando correctamente el elemento indicado
en el problema. Un solo grupo no lo hizo, porque confundió la consigna y presentó
dos actividades del EMB. Con respecto al problema propuesto relacionado con el
EMB, 7 grupos lo resolvieron correctamente, 4 lo presentaron incompleto, calcularon bien los diámetros de las trayectorias de los tres isótopos del oxígeno, pero no
la diferencia de diámetros para obtener la distancia entre sus impactos y 1 grupo
presentó valores aproximados debido al redondeo realizado en el valor de la velocidad con que los isótopos egresan del selector de velocidades. Las pantallas de
todos los informes fueron capturadas y presentadas correctamente.
Los contenidos conceptuales evaluados en el examen parcial corresponden a
las primeras unidades del Programa Analítico: Interacción Eléctrica e Interacción
Magnética. El instrumento de evaluación impreso que se les entregó a los alumnos
contenía los enunciados de cinco problemas de lápiz y papel (cuatro incluían figuras explicativas), los puntajes máximos asignados a cada problema y los valores de
algunas constantes físicas en las unidades más frecuentemente utilizadas. Los resultados de la corrección del examen parcial del Grupo 1 (G1), formado por los 54
alumnos que presentaron el informe de TP utilizando los simuladores y del Grupo 2
(G2) conformado por los 15 que no lo presentaron, muestran que el 85% de los
alumnos evaluados del G1 aprobó, en tanto que del G2 sólo aprobó el 13%. En la
Tabla 3 se presentan mayores detalles. Cabe señalar que las historias académicas de
los alumnos muestran que, en el primer grupo, el 67% tiene la asignatura Física I
aprobada, en tanto que en el segundo, sólo el 33%.
Tabla 3. Resultados del examen parcial del total de alumnos
que rindió y presentó el informe
Aprobados
G1
44
G2
2
Total: 46
Desaprobados
G1
8
G2
13
Total: 21
Ausentes
G1
2
G2
0
Total: 2
En el examen parcial sólo uno de los problemas propuestos estaba relacionado
con las actividades realizadas con los simuladores en entornos virtuales. En el
mismo se abordaba el funcionamiento del EMB y estaba conformado por dos ítems.
En el primero, cuantitativo, se solicitaba calcular la separación (“x) entre los puntos
de impacto que sobre la placa fotográfica dejan dos isótopos de cloro simplemente
ionizados.
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
15
investigación educativa
Figura1. Esquema para completar presentado en el enunciado
del problema del examen parcial
En el segundo, se pedía completar un esquema (Fig. 1) del mismo espectrómetro,
conociendo: el signo de la carga del ión, la dirección, módulo y sentido de la
velocidad del ión en el selector de velocidades y del campo magnético, que era el
mismo tanto en el selector como en la cámara de desviación. En éste ítem debían
indicar los signos (S) de las cargas de las placas que generan el campo eléctrico,
representar los vectores campo eléctrico (E), fuerza magnética (Fm) y fuerza eléctrica (Fe) en el selector de velocidades y ubicar la placa fotográfica (PF) en la cámara
de desviación considerando el sentido de rotación del ión.
En la Tabla 4 se muestra el detalle de los resultados arrojados por la corrección
del problema, diferenciando a los alumnos por grupos.
Tabla 4. Resultados de la resolución del problema del examen parcial relacionado
con el espectrómetro de masas de Bainbridge por parte del total de alumnos
Consignas
1° ítem
2° item
Bien
Regular
G1
G2
G1
G2
Δx
42/52
2/15
6/52
S
36/52
5/15
0
E
33/52
7/15
Fm
39/52
Fe
PF
Mal
No contesta
G1
G2
G1
G2
4/15
2/52
1/15
2/52
8/15
0
7/52
1/15
9/52
9/15
0
0
6/52
0
13/52
8/15
5/15
0
0
7/52
2/15
6/52
8/15
41/52
6/15
0
0
5/52
1/15
6/52
8/15
37/52
4/15
0
0
10/52
3/15
5/52
8/15
En ella se aprecia que sobre el total de los alumnos evaluados del G1, el 81%
pudo calcular bien Δx, el 11% lo hizo de manera regular, el 4% lo resolvió mal y el 4%
restante no lo resolvió. Los porcentajes de resultados del G2 fueron: 13% bien, 27%
regular, 7% mal y 53% no contesta. El error más frecuente, cometido por los alumnos
de ambos grupos calificados con Regular, fue calcular la distancia solicitada como
diferencia de radios y no de diámetros. Confunden implícitamente circunferencias
concéntricas con circunferencias tangentes interiores.
Respecto a la segunda parte cualitativa del problema, tomando la suma de desaciertos y ausencias de respuestas del G1, se aprecia que las mayores dificultades
fueron: dibujar el vector campo eléctrico (37%), identificar los signos de las cargas
de las placas (30%), ubicar la placa fotográfica (29%) y dibujar el vector fuerza
magnética (25%). Un análisis similar realizado con los alumnos del G2 muestra que
16
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
los errores más frecuentes fueron: ubicar la placa fotográfica (73%), colocar los
signos de las cargas en las placas (67%) y dibujar el vector fuerza magnética (67%).
Las autoras estiman que una buena parte de estos errores está relacionada con
dificultades en la conceptualización de magnitudes físicas (campo eléctrico) y otra
con la escasa habilidad matemática que poseen los alumnos para identificar la dirección y sentido del producto vectorial de dos vectores (fuerza magnética).
5. A MODO DE SÍNTESIS
Se realizó una breve revisión sobre el estado del conocimiento acerca del uso de
simulaciones en la enseñanza de temas de física. Las autoras sostienen que la
ventaja más destacable que ofrecen los simuladores presentados consiste en el
acercamiento de los alumnos a los fenómenos físicos involucrados en el funcionamiento de los espectrómetros de masas, sobre todo frente a la imposibilidad de
acceder a equipos reales o construir prototipos de bajo costo.
Se mostraron las apreciaciones de los alumnos frente a una innovación pedagógica en la que se introdujeron simulaciones computacionales como recursos
didácticos para el estudio de los espectrómetros. Según sus valoraciones, las actividades les permitieron no sólo diferenciar el funcionamiento de los equipos, si no
también contrastar los resultados obtenidos a través de la resolución de problemas
de lápiz y papel con los arrojados por el simulador tomando conciencia que en
ambas instancias trabajaron con modelos.
La corrección del examen parcial y la historia académica de los alumnos del G1
muestran que los estudiantes más avanzados en el plan de estudio tienen mayor
predisposición para realizar actividades extra-curriculares innovadoras, logrando
un mejor rendimiento académico que los alumnos del G2 (85% de alumnos de G1
aprobados y 13% de G2). La utilización de estos simuladores sumada a las mejores
condiciones académicas de los alumnos participantes, favorecen la construcción
de conocimientos. No obstante, el hecho de que algunos alumnos puedan resolver
problemas cuantitativos y no completar esquemas cualitativos relacionados al mismo, alerta sobre cuestiones suficientemente tratadas por otros autores sobre la
resolución de problemas de lápiz y papel:¿Los alumnos aprenden estrategias de
resolución de problemas o sólo algoritmos para la subsistencia en el sistema?
La experiencia relatada muestra que la presentación del simulador, cuando los
alumnos cuentan con un bagaje de conocimientos teóricos, facilita la comprensión y
análisis de los fenómenos. De hecho, la mayoría de ellos pudo cumplir con las tareas
encomendadas. Por otro lado, se encontró que el 87% de los alumnos encuestados
desearía abordar otros temas utilizando simuladores, cuestión que suscita nuevos
interrogantes: ¿Se generan en el nivel universitario oportunidades para que los alumnos desarrollen desde el ciclo básico algunas competencias profesionales relacionadas con el uso de las TICs? ¿Son los docentes los que más resistencia ofrecen al uso
de TICs con fines educativos? El empleo de estos recursos en la enseñanza plantea:
a los docentes nuevos desafíos y a los investigadores nuevas preguntas. Aún falta
un largo camino por recorrer, pero ya estamos andando…
Notas
1
Al Aula Virtual se accede sin contraseña. El link es: http://www.aulavirtualexactas.dyndns.org/ y la ruta: Departamento /Física / FISDOS / Documentos y enlaces
2
GRIMA, M. y SORIANO, J. (2007) Problemas de mecánica, electromagnetismo,
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
17
investigación educativa
gravitación e introducción a la física moderna [curso en línea]. Software
recomendado: http://cerezo.pntic.mec.es/%7Ejgrima/Espectrografo.htm
GARCÍA, A. (2006) Curso Interactivo de Física en Internet [curso en línea]. Software recomendado: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/
elecmagnet/espectrometro/espectro.html
3
La Guía Didáctica está disponible en:
http://www.aulavirtual-exactas.dyndns.org/FISDOS/document/Simulaciones/
Espectr%F3metros_de_masas.pdf
4
Las actividades solicitadas fueron: N°1 (Espectrómetro de masas de
Dempster) y N°4 (Espectrómetro de masas de Bainbridge).
Agradecimientos: Este trabajo ha sido realizado en el marco de los proyec-
tos: PICT 2006 1427-BID 1728/OC-AR y PI 006 – 32 CAI+D 2005 UNL.
Referencias
AUSUBEL, D.; NOVAK, J.; y HANESIAN, H. (1978). Psicología Educativa: Un punto
de vista cognoscitivo. Editorial Trillas. México
BARDIN, L. (1996) Análisis de contenido. Akal. Madrid.
BOHIGAS, X.; JAÉN, X. y NOVELL, M. (2003) Applets en la enseñanza de la física.
Enseñanza de las Ciencias. 21 (3): 463-472.
CABALLERO, A.; FELTAN, C. y TARNOWSKI, G. (2003) Laboratorio Virtual –
Aplicaciones a la Física. Memorias de las 2º Jor. Científico-Tecnológicas y 4º Jor de
Inv. Científico-Tecnológicas. FCEQyN. UNaM. Posadas. pp:378-379
CATALÁN, L.; VÁZQUEZ, J. y ALVAREZ, E. (2005) Hacia una mejor comprensión de
la física eléctrica con el uso de NTYC. Memorias CLICAP. UNCu. Mendoza. pp:
293-301.
CONCARI S, GIORGI S, CÁMARA, C. y GIACOSA, N (2006) Didactic strategies
using simulations for Physics teaching. Current Developments in Technology-Assisted
Education, Vol. III, E-Learning Standards, España pp: 2042-2046.
CRES (2008) Declaración de la Conferencia Regional de Educación Superior para América Latina y El Caribe. Disponible en: www.cres2008.org (consulta julio 2009)
DE JONG, T. y VAN JOOLINGEN, V. (1998) El entorno SMISLE: diseño y aprendizaje con entornos integrados de simulación. En Vizcarro y León (comp.) Nuevas Tecnologías para el aprendizaje. Ediciones Pirámide. Madrid
ECHAZARRETA, R. y HAUDEMAND, R. (2009) El laboratorio de física como
facilitador de habilidades y destrezas. Propuesta didáctica para la enseñanza en
carreras de ingeniería. Proceedings of the International Congress of Science Education
10 years of the Journal of Science Education. Cartagena, Colombia. Vol.10, 2009,
Special Issue. pp: 231-233.
FOGLIATI, P.; CATALÁN, L. y CONCARI, S. (2004) Dificultades procedimentales en
la resolución de problemas con simulaciones computarizadas. Memorias del SIEF
VII. La Pampa. pp: 30-39.
GARCÍA, A. (1999) La simulación de fenómenos físicos y experiencias de laboratorio en
Internet. I Congreso Nacional de Informática Educativa. Puertollano. Ciudad Real.
GIORGI, S., CÁMARA, C. y CONCARI, S. (2004) El uso de la computadora en las
modalidades de simulación y adquisición de datos para el estudio del campo magnético en un solenoide por el que circula corriente continua. Memorias del SIEF VII.
Santa Rosa. La Pampa. pp 40-50.
GIORGI, S.; CÁMARA, C.; GIACOSA, N. y CONCARI, S. (2005) Análisis de alcances y limitaciones del uso de simulaciones para la enseñanza y el aprendizaje de
Física. Memorias del Congreso Internacional Educación y Nuevas Tecnologías. UNL.
Santa Fe. (125):1-12
KOFMAN, H. y CONCARI, S. (2000) Dificultades conceptuales con la ley de Ampère.
Análisis bibliográfico y simulación como propuesta. SIEF V. Vol 1 pp: 82 – 90
18
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
investigación educativa
KOFMAN, H. (2004) Integración de las funciones constructivistas y comunicativas de
las NTICs en la enseñanza de la física universitaria. Revista de Enseñanza de la
Física. 17 (1): 51 – 62
KOFMAN, H. GIORGI, S. y CÁMARA, C. (2004) Contenidos de física que se hacen
accesibles gracias a las NTICS. Memorias del 1er Congreso Interinstitucional de
Tecnología Educativa (CITE 2004), 2do Congreso Institucional de Tecnología Educativa, www.elcentro.utn.edu.ar/cite/cite2. T - 72.
LUCERO, I.; MEZA, S.; SAMPALLO, G.; AGUIRRE, M. y CONCARI, S. (2000)
Laboratorio real y laboratorio virtual. Memorias SIEF V. Santa Fe.
MARCHISIO, S. (2003) Tecnología, Educación y Nuevos ambientes de aprendizajes.
Una revisión del campo y derivaciones para la capacitación docente. Revista RUEDA.
Vol. 5. La Rioja, Argentina.
MARTÍNEZ MIGUELEZ, M. (1998) La investigación cualitativa etnográfica en educación: manual teórico-práctico. Trillas. Méjico.
UNL (2009) El Paraninfo. Nuevas Tecnologías, ¿nueva educación? Año 7. N° 58, julio
2009.pp:8-9.
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009
19
investigación educativa
20
Revista Argentina de Enseñanza de la Ingeniería / Año 10 / Nº 19 / Diciembre / 2009