UTILIZACIÓN DE SIMULACIONES, INTEGRADAS DENTRO
DE UNA ESTRATEGIA DIDÁCTICA ESPECÍFICA

María Isabel Cotignola, Gustavo Rébora, Marcos Difazio, Graciela Punte
Tel: (021) 24-3086. Fax: (021) 25-4642. E-mail: punte@ayelen.fisica.unlp.edu.ar

INTRODUCCIÓN

La Física se basa en la utilización de modelos para explicar la naturaleza, De acuerdo con Gettys y colaboradores (Gettys et al., 1995) puede decirse que se entiende por modelo una idealización mental gráfica de un sistema físico o de un fenómeno natural, debiendo éste conservar los rasgos esenciales del fenómeno en estudio y cumplir con los requisitos de simplicidad, generalidad, y concordancia con la experiencia.

En este trabajo se presenta una experiencia realizada con alumnos de cursos básicos universitarios en la cual se utilizaron simulaciones, especialmente diseñadas, en combinación con experiencias de demostración áulica, dentro de una estrategia de investigación guiada. Un fenómeno cotidiano, el roce entre superficies secas, fue utilizado, en distintos contextos, como medio para diferenciar los modelos "partícula" y "cuerpo rígido" y para determinar los límites de validez y aplicabilidad de los mismos.
 
 
 

CONFIGURACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA

Uno de los objetivos de la enseñanza de la Física es que el alumno incorpore el concepto de modelo y aprenda a reconocer que los modelos son siempre, por su propia naturaleza, imperfectos. Esto último implica reconocer sus límites de validez. El primer y más simple modelo con el que se trabaja en mecánica es el modelo "partícula". Este modelo desprecia los movimientos interiores del sistema objeto de estudio al considerar que todas las partes del mismo se mueven de la misma manera (por ej. un auto que se desplaza en una ruta visto desde una cierta distancia). Esto implica que, al analizar el movimiento de un sistema que responde al modelo "partícula", se pueden despreciar sus dimensiones y que si el sistema interactúa con el medio exterior, es decir si sobre él se ejercen fuerzas, se puede suponer que las líneas de acción de todas las fuerzas actuantes se interceptan. Si por el contrario todas las partes del sistema en estudio no se mueven de la misma manera , por ejemplo la rueda del auto que avanza vista desde cerca, no es válido despreciar sus dimensiones ni suponer que todas la fuerzas son concurrentes. Por consiguiente, es necesario cambiar de modelo. Si el sistema no se deforma al interactuar con el medio exterior se puede utilizar el modelo "cuerpo rígido" consistente en unconjunto de partículas con distancias entre ellas independientes del tiempo.

En el análisis de las causas de los cambios del estado de movimiento, tanto en sistemas que pueden modelarse como "partícula" como en aquellos que responden al modelo "cuerpo rígido", la comprensión del rol de la fuerza de roce presenta serias dificultades para los alumnos. En particular la determinación de la magnitud de la fuerza de roce estática, que aparece cuando se trata de conseguir movimientos relativos entre superficies planas rugosas.

Investigadores como Saltier (Saltier, 1994), y Caldas (Caldas et al, 1997) sugieren que los conocimientos intuitivos, o "preconcepciones" de los estudiantes son los que obstaculizan el entendimiento del tema. Aron (Aron, 1990), atribuye la dificultad a errores inducidos en el proceso de enseñanza a través de los docentes o de los libros de texto, como por ejemplo cuando al presentar a la fuerza de roce afirman: "la fuerza de roce siempre se opone al movimiento". Esta aseveración se encuentra aún en algunas publicaciones tendientes a aclarar conceptos relacionados con la fuerza de roce estática (Wahrbein, 1992). En investigaciones previas se encontró, además, en coincidencia con Bauer (Bauer, 1994) que en los libros de texto suele presentarse un tratamiento erróneo de la dependencia funcional de la fuerza de roce con la fuerza exterior que la origina (Cotignola et al., 1996). Frente a esta situación se implementó un abordaje diferente del tema para lograr que los alumnos adquirieran un mejor manejo conceptual del mismo junto a la capacidad para reconocer qué modelos son válidos para describir la realidad.
 

APROXIMACIÓN DIDÁCTICA

Diseño de la estrategia

Para el diseño de una estrategia instruccional tendiente a que el alumno realice una reelaboración de sus conocimientos, y pueda lograr un aprendizaje significativo (Ausubel et al., 1993), se decidió integrar a la computadora, como una herramienta didáctica más. Esto permitió organizar una secuencia de actividades grupales e individuales que incluyeron el desarrollo de una experiencia de aula y su correspondiente animación por computadora. La utilización de la computadora como un mediador instrumental en la investigación en enseñanza de la física y en el propio proceso de enseñanza ha sido utilizado con éxito, entre otros investigadores, por Mc Dermott y colaboradores quienes, a partir de un profundo análisis sobre las dificultades de aprendizaje de los alumnos, principalmente en el campo de la mecánica, diseñaron programas de computación específicos (McDermott, 1990; Grayson et al, 1996 y Steinberg et al, 1996). Recientemente Redish y colaboradores (Redish et al., 1997) han tratado otro aspecto de la utilización de dicho mediador al determinar la conveniencia de su incorporación en reemplazo de las clases tradicionales de laboratorio dejando abierto el cuestionamiento de la ventaja de su uso "per se". El presente abordaje de la utilización de la computadora en el aula consiste en reconocer su función motivadora, pero al mismo tiempo dar prioridad al conjunto de la secuencia dentro de la cual se la incorpora.
 

Secuencia de su utilización

a) Modelo de partícula:

Etapa 1: Introducción del concepto y experiencia de aula

Paso 1) El curso comienza con una clase introductoria, durante la cual una parte está dedicada al análisis del concepto "modelo", trabajándose especialmente los modelos "partícula" y "cuerpo rígido". En las siguientes clases se desarrolla el tema "dinámica de la partícula", se analizan distintas situaciones y se realiza ejercitación con lápiz y papel.

Paso 2) En el momento apropiado se presenta a los alumnos el dispositivo de demostración, consistente en un cuerpo "C" apoyado sobre un plano inclinado, unido, mediante una cuerda que pasa por una polea, a un recipiente "R", vacío, que cuelga (ver Figura 1). Se verifica experimentalmente que la eliminación de un pequeño sobrepeso en "R", tiene como consecuencia que "C" deslice a lo largo del plano hacia abajo ("C" no puede rodar ni volcar, en correspondencia con el modelo de partícula).
 
 

Paso 3) Se pide a los alumnos que predigan el comportamiento del sistema si se aumenta la masa de "R", por ej., introduciendo arena o agua en dicho recipiente.

Paso 4) Se realiza la experiencia y se la repite varias veces. La experiencia muestra que se necesita agregar una apreciable cantidad de arena (o agua) en "R" antes de que "C" comience a deslizar hacia arriba. Este comportamiento habitualmente no se corresponde con las predicciones de los alumnos, quienes suponen que el sistema se va a desequilibrar más rápidamente.

Paso 5) Se pide a los alumnos que analicen grupalmente la experiencia, en función del modelo utilizado y las leyes de la dinámica. Este paso implica la interpretación del comportamiento de la fuerza de roce. Los docentes se abstienen de intervenir.

Los alumnos son invitados a participar en la etapa siguiente:
 
 

Etapa 2: simulación por computadora

Paso 1) Se repite la experiencia de clase y se pide a los alumnos que expliquen, por escrito y en forma anónima, el comportamiento del sistema. Esta explicación incluye el dibujo de los diagramas de fuerzas que consideren necesarios.

Paso 2) Se trabaja con la simulación, la cual permite visualizar todas las fuerzas actuantes sobre el sistema, sus puntos de aplicación de acuerdo con el modelo, y su evolución en función del aumento o disminución de la masa agregada a "R".

Paso 3) Se solicita a los alumnos que, nuevamente por escrito y en forma anónima, ratifiquen o rectifiquen las hipótesis descriptas en el paso 1).

Paso 4) Se realiza una discusión grupal y se explicitan las conclusiones.

Es de destacar que consideramos una etapa fundamental en el proceso, la de predicción de la evolución del sistema por parte de los alumnos, coincidiendo con la línea de trabajo de McDermott y su grupo de investigación (Steinberg et al., 1996).
 
 

b) Modelo de cuerpo rígido:

Las mismas etapas descriptas para el análisis del modelo "partícula", inclusive la simulación animada, se llevan a cabo para analizar el modelo "cuerpo rígido" utilizando en este caso como dispositivo experimental un rodillo que rueda, sin deslizar, sobre un carro. Este último puede desplazarse libremente, hacia adelante o hacia atrás, de acuerdo a si el rodillo es tirado de su centro o de la periferia, (ver Figuras 2a y 2b).
 
 

EVALUACIÓN DE LA METODOLOGÍA
 

La aproximación didáctica descripta fue empleada con:

a) Alumnos de uno de los grupos que cursan Física I, de las carreras de Ingeniería.

b) Un grupo de alumnos de la licenciatura en Física.

A los efectos de evaluar la persistencia en el tiempo de la adquisición de los conceptos trabajados y de esta manera poder evaluar si la experiencia didáctica realizada era adecuada conseguir un aprendizaje significativo:
 
 

a) Alumnos de Ingeniería: Se realizó una evaluación tradicional luego de un mes de realizada la primera experiencia. A ella se presentaron 18 alumnos que habían participado de la etapa 2, y 63 que no habían participado en dicha etapa. De los primeros, el 56% contestó correctamente, y de los segundos el 46%. Es de destacar que las respuestas incorrectas pudieron relacionarse con fallas en el manejo del comportamiento de la fuerza de roce y de las leyes de la dinámica. Pudo apreciarse, sin embargo, una mejor elaboración de los modelos.

Evidentemente los resultados no cubrieron las expectativas de los docentes, mostrando la persistencia en los alumnos de concepciones intutivas erróneas que interfirieron con el aprendizaje. Este hallazgo es coincidente con observaciones de otros investigadores en el campo (McDermott, 1990 y Grayson et al, 1996).

Dado el entusiasmo e interés mostrado por los alumnos que habían participado en la etapa 2, se decidió realizarles entrevistas individuales para avanzar en el entendimiento de las dificultades de les habían impedido, en los términos de Moreira (Moreira, 1994), funcionar como "personas científicamente educadas".

En dichas entrevistas, los alumnos coincidieron en que la visualización de la situación por computadora fue "impactante", "resultó de gran ayuda", reconocieron haber advertido la similitud entre la situación plateada en la evaluación y la presentada en la animación. De las entrevistas no pudo concluirse, posiblemente por inexperiencia de los entrevistadores, las causas de la falta de asimilación del manejo de la fuerza de roce.
 
 

b) Alumnos de la licenciatura en Física: Se les realizó entrevistas individuales, al cabo de tres semanas de realizada la experiencia. Coincidieron con los alumnos del grupo anterior en sus entusiastas apreciaciones sobre la actividad realizada. Se observó, tambien en coincidencia con el grupo anterior, que varios de ellos no habían logrado modificar sus concepciones erróneas,

En este caso, por ser un número menor de alumnos, las entrevistas pudieron repetirse y de esta manera pudo determinarse que las concepciones intuitivas pre-instruccionales en algunos casos estaban muy fuertemente arraigadas. Algunos alumnos ante el conflicto entre lo observado en la experiencia y/o simulación y sus predicciones (consistentes con sus concepciones intuitivas) llegaron a la negación de la observación. Es decir, sus recuerdos de lo experimentado y visto coincidían con sus predicciones. Este resultado que puede parecer sorprendente es acorde con las observaciones de otros investigadores (McDermott, 1990).

No se han evaluado todos los resultados de todos las actividades realizadas en torno a las dos situaciones físicas descriptas en este trabajo. Los resultados, al presente, permitem asociar la persistencia de las predicciones erróneas con mal manejo de la Matemática en general y del algebra vectorial en particular. Además, cabe mencionar que se ha evidenciado una mejora en el reconocimiento de los límites de validez de los modelos "partícula" y "cuerpo rígido".
 
 
 

CONCLUSIONES

La evaluación de la utilización de la aproximación didáctica presentada en este trabajo mostró que la misma es adecuada para mejorar el manejo conceptual en Física En particular la inclusión de la computadora despierta un marcado entusiasmo y refuerza el interés por aprender de los alumnos. Además, quedó en evidencia, a partir de dicha evaluación, que esta aproximación didáctica puede ser muy útil como herramienta de investigación educativa dado que ayuda a delimitar las dificultades de los alumnos para obtener un aprendizaje significativo.
 
 

REFERENCIAS
 

Aron, A. B. A guide to introductory Physics Teaching. John Wiley & Sons. (1990).

Ausubel, D. B. Novak, J. D. y Hanesian, H. Psicología educativa. Un punto de vista cognoscitivo. Trillas, México. (1993).

Bauer, D. Phys. Educ. 29, 239 (1994).

Caldas, H. y E. Saltier. Didskalia. (1997)

Cotignola, M. I. Rébora, G. Punte G. Memorias de III Simposio de Investigación en Enseñanza de la Física. (La Falda, Córdoba. Argentina), (1996)

Gettys, W. E. Keller, F. J. Skove, M. J. Física clásica y moderna. Mc Graw Hill. (1995)

Grayson, D. y Mc Dermott, L., Am. J. Phys. 64,557, (1996).

McDermott, L. Am. J. Phys. 58, 452 (1990)

Moreira, M. A, Memorias de II Simposio de Investigación en enseñanza de la Física, Bs. As.,(1994)

Redish, E. F. Saul, J. M. Steinberg, R. N. Am. J. Phys. 65,45, (1997)

Saltier, E. Conferencia invitada. Segundo Simposio de Investigación en Enseñanza de la Física. Buenos Aires. 1994.

Steinberg, R. N. Oberem, G. E. y Mc Dermott, L. C. Am. J. Phys. 64, 1370 (1996).

Wehrbein, W. M. Am. J. Phys. 60, 57, (1992)

María Isabel Cotignola:

Ingeniera Química. Profesora de la Cátedra de Física I e integrante del grupo de "Investigaciones en metodologías alternativas para la enseñanza de las Ciencias" (IMApEC). Departamento de Fisicomatemática, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata (UNLP) 115 y 47. 1900 La Plata. ARGENTINA.

Area de investigación: Enseñanza de la Física.
 
 

Gustavo Rébora:

Estudiante de Ingeniería Electrónica. Docente auxiliar de la Cátedra de Física I. Departamento de Fisicomatemática, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata (UNLP) 115 y 47. 1900 La Plata. ARGENTINA.
 
 

Marcos Difazio:

Estudiante de Ingeniería Electrónica. Docente auxiliar de la Cátedra de Física I. Departamento de Fisicomatemática, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata (UNLP) 115 y 47. 1900 La Plata. ARGENTINA.

Graciela Punte:

Doctora en Física. Profesora Titular de la Cátedra de Física I. Directora del grupo: "Investigaciones en metodologías alternativas para la enseñanza de las Ciencias" (IMApEC). Departamento de Fisicomatemática, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata (UNLP) 115 y 47. 1900 La Plata. ARGENTINA.

Profesora del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNLP. Coordinadora del Laboratorio Nacional de Difracción.

Areas de investigación: a) Materia condensada y b) Enseñanza de la Física.