Perfeccionamiento del desempeño investigativo experimental

Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz", Cuba

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

            e-mail: carlos.alvarez@reduc.edu.cu  

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

 

Nota del autor: El presente trabajo 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 de estudiantes de ingeniería durante su tránsito por la disciplina Física. A los efectos de favorecer el desempeño investigativo experimental de los estudiantes se orienta el proceso de enseñanza aprendizaje según el modelo de formación de competencias, en tal ocasión el autor  ha creado la competencia investigación experimental  en la Física para estudiantes universitarios. La metodología se ha implementado con estudiantes de ingeniería de la Universidad de Camagüey.

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

 

En esta ventana el usuario podrá conocer las características de la investigación que el sitio asiste, el procedimiento de trabajo, dispondrá de los accesos directos a los instaladores de la Máquina Virtual de java y Flash, desdee la misma se accede a cualquiera de los subsistemas que conforman esta disciplina: Física I, II y III.
En las segundas ventanas, el usuario dispondrá de un menú que indica los núcleos básicos en que se ha organizado el contenido de cada asignatura en particular.
Las terceras ventanas muestran el menú correspondiente a los temas que se ofertan en cada núcleo, de cada subsistema. Se ofertan simulaciones, aplicaciones y auto evaluaciones. Es elemento distintivo reconocer que la mayoría de los tópico cuentan con uno, dos o más simulaciones, ello responde al interés de satisfacer los diferentes estilos de aprendizaje y propiciar contextos que permitan evaluar la aplicación de las estrategias aprendidas.
Las cuartas ventanas constituyen el contexto de trabajo. Se han seleccionado y publicado aquí simulaciones de los principales sitio de Física a nivel internacional, todos debidamente identificados.  Aquí el usuario dispondrá de accesos directos a procesadores matemáticos y estadísticos, los mismos abren en otras ventanas. El usuario dispondrá de diferentes niveles de ayuda.
Una de las herramientas, el procesador gráfico CVXPT32, permite a partir de una data experimental, obtener la ecuación físico-matemática que mejor la caracteriza.
Conozca sus predominantes ESTILOS DE APRENDIZAJE (requiere conexión a Internet y permiso para la navegación): Cuestionario en español o en inglés

El sitio Web “Siscomfis” está soportado en la modalidad CD-ROM, alcanza los 270 Mb y se visualiza en los sistemas operativos Windows y Linux, puede ser insertado en cualquiera de las plataformas educativas que soportan los Entornos Virtuales de Aprendizaje (EVA) de las diferentes instituciones educacionales. Al mismo se puede acceder desde cualquiera de los centros del Ministerio de Educación de Cuba y del mundo en las direcciones:

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

Este producto informático ha recibido una favorable acogida en los Congreso Internacionales Informática 2009, Universidad 2012, los Talleres de Enseñanza de la Física Iberoamericanas del 2009, entre otros; el mismo se encuentra registrado en CENDA con la numeración 365-2009.

Observaciones al momento de utilizar el sitio:

  • Puede utilizar cualquier navegador de Internet
  • Si utiliza Internet Explorer, al ejecutar Index, el navegador Internet Explorer le mostrará el siguiente mensaje

El usuario seleccionará Permitir contenido bloqueado.

  • Si las SIMULACIONES no se visualizan INSTALE: JAVA + JAVA , además  OPRIMA: Flash_01 y Flash_02 . De ésta manera se instalarán estas herramientas en su PC con lo cual deberá quedar solucionado el problema
  • A continuación proceda a ejecutar las simulaciones, le aparecerá un mensaje en el  lugar donde debería visualizar la simulación como el siguiente: 

  • Seguidamente DAR CLICK IZQUIERDO SOBRE EL CÍRCULO ROJO
  • A continuación debe aparecer otro mensaje como el siguiente:

  • Dar click izquierdo sobre la regla Permitir y recordar, en lo adelante deberá visualizar cada una de las simulaciones.

  • Si utiliza Firefox, para que se EJECUTEN  las herramientas DERIVE y OBTENER FUNCIÓN (CurveExpert), deberá ejecutarlas fuera de este navegador.

 Procedimiento de trabajo

  1. Seleccione la asignatura (ejemplo: Mecánica y Termodinámica)
  2. Escoja la unidad temática deseada.
  3. Seleccione el contenido objeto de estudio.
  4. Analice cada una de las propuestas de simulaciones computacionales disponibles, seleccione la que mejor se acople a su estilo de aprendizaje, puede seleccionar más de una opción de simulaciones.
  5. Antes de ejecutar los experimentos virtuales le sugerimos consulte el material Habilidad experimental tecnológica
  6. Se le sugiere emplee el Método para la gestión investigativa experimental:  sistema de acciones y operaciones requeridas para darle solución experimental real o virtual a un problema determinado, en el cual intervienen  el estudiante y el profesor, y donde el primero asume paulatinamente la dirección del mismo, valiéndose del empleo de los medios y recursos del laboratorio de Física y otras herramientas tecnológicas, aplicando las habilidades experimentales (observar, medir, procesar entre otras) y la habilidad experimental tecnológica,  mediante los procedimientos pertinentes, comunicando los resultados con argumentación, responsabilidad, ética y compromiso social en función del propósito a alcanzar.

Procedimiento para aplicar el método para la gestión investigativa experimental

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

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

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

    • 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:

  • 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.

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

    • Determinar magnitudes constantes y variables presentes en el problema.

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

    • Estimar la relación entre constantes y variables.

Paso 3.- Al elaborar el diseño investigativo experimental:

  • Planificar las acciones a desarrollar a partir de los criterios dados en la caracterización de la competencia GIEF, para ello:

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

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

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

Paso 4.- Al obtener la información experimental:

  • 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:

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

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

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

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

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

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

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

    • 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.

  • 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.

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

    • 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.

    • 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:

  • 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.

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

  • 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.

  • Adoptar alternativas para la realización de las prácticas de laboratorio virtuales:

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

    • 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).

  • 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 GIEF. Instrumentar el empleo del sitio Web: “Siscomfis”.

  • 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.

  • 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:

    •  Reconocer la relación funcional matemática entre las magnitudes presentes en la ley Física  correspondiente al problema en estudio;

    •  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.

  • 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.

  • 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 de ingeniería. Para viabilizar la implementación del método de análisis por regresión lineal en el sitio Web: “Siscomfis” se muestran varios ejemplos.

 Otras especificaciones de la página Web: Siscomfis.

  1. Dispone además de herramientas para el procesamiento de datas y de un software que le permitirá construir sus propios circuitos eléctricos y/o electrónicos.
  2. Se le brindan al usuario suficientes materiales que le ayudarán a perfeccionar sus conocimientos respecto a las características operacionales de diferentes instrumentos de medición así como a la determinación de las incertidumbres en las mediciones Ver
  3. Diseñar el sistema de tareas que ha de cumplimentar, atendiendo a las posibilidades que brinde el Applet, con vista a garantizar el logro del objetivo que se ha propuesto alcanzar.
  4. Procesar e interpretar los resultados experimentales obtenidos. Para facilitarle sus análisis se le ofrecen Graficadores y calculadoras especializadas, solamente oprima la opción correspondiente en su barra superior, acto seguido oprima Ejecutar.
  5. Resuma en su libreta los principales aspectos del procedimiento seguido, los resultados obtenidos y las conclusiones a las que arribó.

Importante:

  1. El conjunto de tareas experimentales que les propone el autor han de ser cuidadosamente analizadas por los profesores, en interés de lograr los objetivos de los cursos en particular donde sea empleado, los mismos harán una cuidadosa selección de los contenidos a orientar y estructurarán la frecuencia de interacción con los mismos. La efectividad del empleo de la Web: "Siscomfis" dependerá de la responsabilidad que se asuma al solucionar las tareas experimentales.
  2. La actividad independiente puede estar asociada a dos o tres estudiantes, que por limitaciones de las máquinas computadoras existentes, así se tengan que agrupar, pero que al buscar la solución al problema planteado analizarán en colectivo y con la participación de todos la manera de proceder experimentalmente.
Precisiones:
  1. Está diseñado para ser utilizado en cualquier modalidad de enseñanza, tanto presencial, semi presencial o en cursos a distancia.
  2. También permite ser empleado en cualquier nivel de enseñanza o carrera universitaria, debiendo el profesor indicar los contenidos afines y nivel de dificultad de las tareas atendiendo a la asignatura  en cuestión.
  3. El diseño está dirigido básicamente para estimular la actividad independiente de los estudiantes, no obstante sus varias potencialidades propician que sus simulaciones se puedan utilizar como experimentos demostrativos por profesores y alumnos.
  4. Se ha efectuado una cuidadosa selección de aquellos software que tratan la temática abordada de una manera didáctica, atractiva y con rigor científico.
  5. Cada temática cuenta con variados  experimentos virtuales, algunos aparentemente repetitivos pero al someterse el estudiante a la solución de la tarea encontrará nuevas variables a relacionar y/o distintos modos de relacionar las ya estudiadas.
  6. Se han escogido algunos experimentos que hacen referencia al carácter histórico del descubrimiento de la Ley que analiza.
  7. Otros experimentos constituyen aplicaciones de Leyes estudiadas y resultarán de interés para alumnos y profesores por su novedad y utilidad práctica.
  8. También se le brinda al usuario la posibilidad de contar con útiles herramientas para analizar e interpretar gráfica y numéricamente la relación entre las variables investigadas. Podrán aprender el manejo de imprescindibles equipos de medición: multímetros y osciloscopios
  9. Dispondrán los usuarios de software para la representación matemática de funciones, la solución de ecuaciones, derivadas, integrales, etc.
  10. Ofrece precisiones acerca de las Incertidumbres en las mediciones para el procesamiento de los datos experimentalmente obtenidos y la construcción e interpretación de gráficos con los mismos.
  11. Se incluyen actividades de auto evaluación, les aconseja el autor las realice al concluir el estudio de la unidad temática en cuestión.
  12. Se les propone un Modelo para los informes luego de concluidas las prácticas de laboratorio.

Características principales de la nueva metodología de enseñanza aprendizaje

  1. Análisis de la situación problémica presentada a los estudiantes.
  2. Planteamiento de tareas planificadas, cada una de las cuales representa una profundización y ampliación en la solución de la problemática analizada.
  3. Predominio del apoyo al estudio de las temáticas mediante el empleo del Simulaciones Computacionales Contextualizadas.
  4. Utilización, posteriormente, de formas que se aproximan más a las del lenguaje interno (símbolos, ecuaciones matemáticas, mapas conceptuales, empleo de métodos propios de las ciencias, etc.).

El carácter novedoso de la metodología consiste en que los estudiantes aprenden a aprender a través del empleo de métodos propios de las ciencias con los cuales logran una mejor interpretación de los conceptos estudiados o se apropian de otros nuevos de manera individual o en pequeños grupos, se entrenan en vías más eficaces para la solución de problemas a lápiz y papel y otros de carácter meramente experimental, lo que redunda en un aprendizaje más significativo y desarrollador, capaces de aplicar los conocimientos y habilidades aprendidas a nuevas situaciones tanto docentes como de la producción o la vida cotidiana.