Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz", Cuba

Autor: Dr.C. y  PT Carlos Alvarez Martinez de Santelices, Profesor de Física

            e-mail: carlos.alvarez@reduc.edu.cu, carloseliannys@gmail.com   

            http://www.reduc.edu.cu/siscomfis/index.html 

Nota del autor: El presente trabajo investigativo y los restantes contenidos en el sitio Web: "Siscomfis" con dirección http://www.reduc.edu.cu/siscomfis/index.html son de la autoría del Profesor Auxiliar y Doctor en Ciencias Pedagógicas Carlos Alvarez Martinez de Santelices y conforman la investigación pedagógica orientada a perfeccionar el desempeño investigativo experimental de estudiantes universitarios durante su tránsito por la disciplina Física. A los efectos de favorecer el desempeño investigativo experimental de los mismos se orienta el proceso de enseñanza aprendizaje según el modelo de formación de competencias, en tal ocasión el autor  ha caracterizado la competencia investigación experimental en la Física para estudiantes de carreras universitarias (IEF)

Todas las definiciones y conceptos que se plasman a continuación forman parte de los aportes científicos y metodológicos plasmados por el autor en su tesis doctoral  (Alvarez Martinez de Santelices, C. (2016). Formación-desarrollo de la competencia investigación experimental en la Física para estudiantes de carreras de ingeniería. Centro de Estudio de Ciencias de la Educación. Universidad de Camagüey. Cuba). Se prohíbe la copia y reproducción de los mismos sin la autorización del autor. 

A todos los que consulten los materiales que apoyan la presente investigación pedagógica les pedimos nos ofrezcan sus opiniones y criterios al respecto, Gracias. El autor

Caracterización de la competencia investigación experimental en la Física para estudiantes de carreras universitarias (IEF)

Se enuncia la competencia IEF como: un estudiante universitario es competente en la investigación experimentación en Física cuando desarrolla las prácticas de laboratorio según procesos de indagación-argumentación y abstracción-generalización, con lo cual contribuye a generar nuevos conocimientos, habilidades, actitudes y valores; en el marco de un proceso metacognitivo, con responsabilidad, ética y compromiso social, lo cual evidencia a través de su desempeño investigativo experimental.

Se entiende por desempeño investigativo experimental la cualidad a través de la cual se manifiesta la disposición, la comprensión y la actuación experimental del estudiante para alcanzar los propósitos planteados al efectuar las prácticas de laboratorio de la disciplina Física en carreras universitarias. Es poner a funcionar todos los procesos pertinentes del pensamiento y la acción que le permita al estudiante solucionar los conflictos propios de la actividad investigativa experimental y que lo conduzca a un mejoramiento continuo de sus conocimientos, habilidades, estrategias, conforme a valores, con metacognición y ética.

Criterio 1: Identifica el conocimiento

• Evidencias:

1.       Identifica el conocimiento tanto de la disciplina Física como de otras que se consideren sean los apropiados para abordar el proceso de solución experimental del fenómeno físico en estudio.

2.       Predice la evolución del problema en estudio (planteamiento hipotético).

Criterio 2: Emplea la estrategia adecuada.

• Evidencias:

3.       Identifica el método investigativo apropiado para asumir la práctica de laboratorio.

4.       Emplea las estrategias adecuadas para desarrollar cada etapa del método investigativo experimental.

5.       Considera y aplica las habilidades experimentales básicas y la experimental tecnológica.

6.       Obtiene la información experimental necesaria y suficiente.

7.       Cumple con las medidas de seguridad en el laboratorio y colabora para que sus colegas de clases también lo hagan.

Criterio 3: Analiza la información experimental. 

• Evidencias:

8.       Analiza la información experimental empleando el método matemático de los mínimos cuadrados u otro que evidencie el rigor científico del proceso investigativo experimental asumido. 

•  Si busca identificar la ley Física: reconoce en la expresión matemática obtenida la relación entre las constantes y variables dependiente e independiente (s) correspondientes al fenómeno Físico en estudio, a partir del empleo de las herramientas tecnológicas.

•  Si busca la propiedad del proceso o fenómeno de estudio: obtiene la pendiente de la recta e identifica la propiedad en estudio, a partir del empleo de las herramientas tecnológicas pertinentes.

9.       Aplica el método apropiado para identificar la dimensión de la incertidumbre presente en las mediciones y a partir de ello, valora la calidad del proceso experimental asumido.

 Criterio 4: Comunica los resultados

• Evidencias:

10.    Notifica de forma escrita y oral los resultados del proceso investigativo experimental.

11.    Autoevalúa su desempeño experimental, identifica logros y aspectos a mejorar, cualifica el nivel de desempeño Experimental.

12.    Valora la importancia y repercusión en su formación profesional del desempeño experimental alcanzado.

Cada nivel de desempeño investigativo experimental se determinará a partir del mapa de aprendizaje analítico:

Método para el desempeño investigativo experimental:  proceso que partiendo del problema en estudio se predice la evolución del mismo y se elabora el diseño investigativo experimental requerido para la solución del referido problema, ello demanda la utilización de equipos, instrumentos y accesorios así como de diferentes recursos tecnológicos lo cual aportará la información pertinente, ésta será analizada con los recursos necesarios, debiendo el estudiante comunicar de forma oral y escrita los resultados alcanzado lo cual permitirá reestructurar o sistematizar el conocimiento que posee y como expresión del desempeño investigativo experimental alcanzado.

MATRIZ PARA EVALUAR EL DESEMPEÑO INVESTIGATIVO EXPERIMENTAL

Nota: Tanto la autoevalúa, la coevaluación así como la heteroevaluación que se le ha de aplicar a los estudiantes al concluir cada práctica de laboratorio real o virtual se regirán por esta matriz. Se han de identificar logros y aspectos a mejorar sobre la base de las evidencias consideradas en la caracterización de la competencia IEF. Al aplicar la matriz de evaluación de la competencia IEF se ha de considerar que los aprendizajes evidenciados se evalúan para cada CRITERIO, ello puede determinar niveles de desempeño diferentes por cada criterio para el mismo estudiante en la misma práctica de laboratorio, por ello el nivel se determina a partir de un RANGO establecidos según criterios validados en estudios precedentes y constados en la presente investigación.

Ejemplificación de la aplicación de la matriz para evaluar el desempeño investigativo experimental:

Metodología para la implementación de la formación-desarrollo de la competencia IEF

a) Entrenamiento virtual contextualizado.

Explicar y ejemplificar de forma singular, las características de la competencia IEF: concepto, criterio, evidencia, mapa de aprendizaje analítico y su evaluación.

Utilizar demostraciones frontales virtuales y reales en las conferencias, con ello se favorece: a) la comprensión de los aprendizajes esperados, definidos en el mapa de aprendizaje analítico acordado b) ilustrar las acciones y operaciones correspondiente a la habilidad experimental tecnológica, c) ilustrar el método para la gestión investigativa experimental, d) ilustrar las estrategias de aprendizaje que pueden utilizar los estudiantes, e) ayudar a establecer conexiones entre el futuro contexto de investigación experimental real y el mundo de los signos y símbolos presentes en las simulaciones computacionales, e) motivar a los estudiantes promoviendo la interacción estudiante-profesor, estudiante-estudiante, enriqueciendo el ambiente participativo, colaborativo y de discusión entre el profesor con los estudiantes, y de estos entre sí.

Desarrollar inicialmente una práctica de laboratorio virtual a manera de demostración de la aplicación del método para la gestión investigativa experimental, el trabajo con el sitio Web: “Siscomfis”, así se favorece orientar el reconocimiento de los criterios contenidos en la caracterización de la competencia en formación y con ello el desempeño investigativo experimental de cada estudiante y su equipo de trabajo al enfrentar la práctica de laboratorio real. Propiciar que paulatinamente los estudiantes tomen el control de la realización de las prácticas de laboratorio virtual.

b) Explicar el procedimiento a seguir al utilizar el método para el desempeño investigativo experimental:

Paso 1.- Técnicas que ayudan a explorar el problema:

1.     Considerar el propósito, los criterios y significancia del problema.

Ø  Dibujar, usar modelos, elementos numéricos y de conceptos, analogías, simulaciones computacionales, atributos y características.

Ø  Considerar las habilidades experimentales y tecnológicas pertinentes, así como el método matemático de los mínimos cuadrados y el método para estimar la incertidumbre presente durante el experimento.

Paso 2.- Al predecir la evolución del problema en estudio (hipótesis) se ha de considerar:

2.     Identificar el conocimiento de la disciplina Física y otras disciplinas, que se considere sea el apropiado para el proceso de solución del problema en estudio.

3.     Brindar posibles explicaciones a la evolución del problema, a partir de:

Ø  Determinar magnitudes constantes y variables presentes en el problema.

Ø  Identificar la (s) variable (s) independiente (s) y la variable dependiente.

Ø  Estimar la relación entre constantes y variables.

Paso 3.- Al elaborar el diseño investigativo experimental:

4.     Planificar las acciones a desarrollar a partir de los criterios dados en la caracterización de la competencia IEF, para ello:

Ø  Identificar la (s) simulación (ones) que pueda (n) modelar con la mayor aproximación posible la evolución del problema en estudio.

Ø  Identificar los equipos, instrumentos y accesorios del laboratorio de Física necesarios y determinar el diseño experimental apropiado.

Ø  Seleccionar los programas informáticos de tipo matemáticos y estadísticos apropiados para analizar la información obtenida experimentalmente.

Paso 4.- Al obtener la información experimental:

5.     Estimar el volumen de las mediciones experimental a ser obtenida para abordar la interpretación de los resultados y con ello propiciar la solución al problema en estudio.

Paso 5.- Al analizar la información:

6.     Si el problema en estudio tiene como propósito encontrar el modelo matemático que mejor relaciona las constantes y variables implicadas, proceder a:

Ø  Reconocer que la data experimental para ser pertinente debe ser lo suficientemente numerosa para develar la relación entre las magnitudes implicadas.

Ø  Homogeneizar la data experimental según el Sistema Internacional de Unidades.

Ø  Organizar en una tabla la data experimental: eje Y para la variable dependiente y en el X la variable independiente.

Ø  Graficar la data experimental obtenida: emplear el programa informático CurveExpert u otro similar para obtener el modelo matemático.

Ø  Reconocer en la expresión matemática obtenida la relación entre las constantes y variables correspondientes al fenómeno Físico en estudio.

7.     Si el problema en estudio tiene como propósito encontrar la propiedad del fenómeno estudiado, entonces:

Ø  Organizar la relación inicial adoptada para las constates y variables consideradas según la ecuación para una línea recta (y = mx +b). Hacer coincidir la propiedad estudiada (magnitud constante que se investiga) con la posición en la ecuación que ocupa la pendiente (m) de la recta.

8.     Si la relación inicial adoptada entre constates y variables es del tipo cuadrática, exponencial u otra, transformar la misma por los métodos matemáticos apropiados a la forma de la ecuación de la recta.

Ø  Aplicar el método de los mínimos cuadrados para obtener la pendiente de la recta. Obtenida la pendiente proceder a determinar la propiedad en estudio.

Ø  Aplicar el método apropiado para identificar la dimensión de la incertidumbre presente en las mediciones y a partir de ello, valorar la calidad del proceso experimental asumido.

Ø  Comparar el resultado obtenido tanto con la predicción del fenómeno como con el modelo teórico existente para éste. A partir de éstos resultados y de la calidad del proceso experimental de ser necesario, adoptar las mejoras pertinentes.

Paso 6.- Al comunicar los resultados:

9.     Argumentar de forma escrita y oral los resultados del proceso investigativo experimental, resultando de utilidad para otras personas, en el marco de un proceso metacognitivo.

10.  Contribuir con la adecuada actuación investigativa experimental en el laboratorio.

Reflexión: La cualidad distintiva del método para el desempeño investigativo experimental es su adaptabilidad a las estrategias de aprendizaje de cada estudiante, entonces no es necesario seguir rigurosamente el orden de los pasos antes señalados, se puede adoptar por uno u otro estudiante un orden diferente. Lo que resulta importante es reconocer los procedimientos que conducen a los aprendizaje deseados en los niveles requeridos.

c) Desarrollar inicialmente una práctica de laboratorio virtual a manera de demostración de la aplicación del método para el desempeño investigativo experimental, el trabajo con el sitio Web: “Siscomfis”, así se favorece orientar el reconocimiento de los criterios contenidos en la caracterización de la competencia en formación y con ello el desempeño investigativo experimental de cada estudiante y su equipo de trabajo al enfrentar la práctica de laboratorio real.

d) Adoptar alternativas para la realización de las prácticas de laboratorio virtuales:

Ø   Variante 1: efectuarla en la clase práctica de laboratorio virtual presencial (se desarrollará en el laboratorio de informática de la carrera).

Ø Variante 2: orientar la realización de prácticas de laboratorio virtual de manera no presencial (cada estudiante y su equipo de trabajo gestionan las condiciones  materiales para desarrollarlas).

e) Orientar problemas para las clases prácticas a lápiz y papel cuya solución demande de la utilización de simulaciones computacionales y programas graficadores matemáticos y estadísticos, que resultan necesarios para la formación y desarrollo de la competencia IEF. Instrumentar el empleo del sitio Web: “Siscomfis”.

f) Favorecer la comprensión de las potencialidades del sitio Web: “Siscomfis” en función de la formación y desarrollo de la competencia GIEF: contiene simulaciones computacionales que abordan los principales contenidos que son considerados en los programas de Física General de las diferentes carreras de ingeniería; incluye programas informáticos del tipo graficadores matemáticos y graficadores estadísticos; tiene incorporado simulaciones de instrumentos de medición (con ellos los alumnos efectúan el entrenamiento procedimental al utilizar instrumentos y equipos de medición); se incluyen programas informáticos para el diseño y construcción de diferentes circuitos eléctricos y electrónicos, así como simulaciones para la modelación de aplicaciones tecnológicas considerados en la Física General.

g) Emplear para el análisis de la información experimental programas informáticos del tipo graficadores matemáticos y graficadores estadísticos. Los programas informáticos graficadores matemáticos seleccionados para el presente modelo han de brindarle al estudiante la posibilidad de: 

        a) reconocer la relación funcional matemática entre las magnitudes presentes en la ley Física  correspondiente al problema en estudio;

       b) identificar cuál de las variables presentes en una ley Física es la dependiente y cual (es) la (s) independiente (s). Se aconseja utilizar el programa informático Derive u otros considerados.

h) Considerar como programa informático graficador estadísticos aquel que brinda la posibilidad de reconocer la función matemática que mejor se corresponde con una data experimental real o virtual. A los efectos del presente trabajo se propone el empleo del programa CurveExpert, el mismo está disponible en Internet y en la Web: “Siscomfis”, éste posee más de diez modelos matemáticos para interpretar la data experimental, suficientes para identificar las leyes de la Física incluidas en las carreras de ingeniería.

i) Considerar para el análisis de la información obtenida experimentalmente el empleo del método gráfico de regresión lineal o de los mínimos cuadrados, su utilización se sistematiza a través de todas las asignaturas que conforman la disciplina Física en cada carrera universitarias. Para viabilizar la implementación del método de análisis por regresión lineal en el sitio Web: “Siscomfis” se muestran varios ejemplos.

Habilidad experimental tecnológica: destrezas que se requiere poseer para seleccionar y manipular equipos, instrumentos y accesorios, programa informático del tipo simulador computacional, graficadores matemáticos y programas estadísticos, con el propósito de viabilizar el desempeño investigativo experimental de estudiantes de ingeniería al enfrentar las prácticas de laboratorio de Física.     

   Utilice los recursos que le ofrecemos en el sitio Web: "siscomfis" (http://www.reduc.edu.cu/siscomfis/)

• En el mismo se disponen simulaciones contextualizadas, es decir simulaciones que reproducen total o parcialmente el contexto experimental real que deberás enfrentar en la clase de práctica de laboratorio.

• En las simulaciones encontrará una AYUDA conceptual y procedimental.

• Dispone además, de herramientas para el procesamiento de datas y de varios software que le permitirán construir sus propios circuitos eléctricos y/o electrónicos.

• Se le indica que la organización procedimental experimental deberá favorecer el análisis de la data experimental según el método de REGRESIÓN LINEAL  o de los MÍNIMOS CUADRADOS (Ver Incertidumbres en las mediciones).

Para comprender cómo efectuar el ajuste de los datos experimentales, consultar el recurso siguiente:

Instrumento para el control del desempeño investigativo experimental.

Control metacognitivo del proceso de gestión de la investigación experimental Competencia abordada: investigación experimental en la Física para estudiantes de carreras universitarias (IEF)  

 Disciplina:                                Asignatura:                        Carrera:                           Año:             Fecha: Nombre de la evidencia: Autoevaluación:__________  Coevaluacvión:__________ (Marcar con una X según corresponda)

Nota: El control metacognitivo le permite al estudiante identificar fortalezas y carencias en la aplicación y comprensión del proceso de formación y desarrollo de la competencia IEF. El nivel alcanzado es por actividades, indicar las acciones a mejorar en ellas.

Figura: modelo para el control metacognitivo del proceso investigativo experimental.

Explicación: Cada estudiante se aplica el cuestionario anterior siempre que asuma una investigación experimental sea esta virtual o real, cuando resulte aconsejable también se utiliza para coevaluar colectiva e individualmente al resto de los estudiantes.

Cada informe de la práctica de laboratorio virtual o real realizada se redactará a partir de dejar explícito y con valor comunicativo y científico apropiado, lo indicado como evidencias en cada CRITERIO o aprendizaje esperado correspondiente a la caracterización de la competencia IEF. Cada equipo deberá plasmar en el mismo fotos donde se evidencie la participación de sus integrantes durante el proceso investigativo experimental desarrollado. cada informe concluye con la inclusión de la tabla de autoevaluación de cada integrante. Los informes se elaboran de manera digital y cuando las condiciones lo permitan se imprimen en papel, la entrega del mismo siempre estará prevista al cabo de quince días de efectuada la práctica de laboratorio.