Desarrollo y Aplicación de simulaciones y sistemas de adquisición de datos en la enseñanza de la Física Universitaria Hugo A. Kofman Facultad de Ing. Química Univ. Nac. del Litoral Santa Fe Argentina

Actividades del grupo Desarrollo de software de simulación (Visual Basic y Delphi) Desarrollo de sistemas de adquisición de datos para experimentos de laboratorio Elaboración de diseños didácticos y aplicación en clases de Trabajos Prácticos Capacitación de alumnos Pasantes. Investigación en Enseñanza de la Física. Capacitación de docente universitarios y de escuelas medias en el uso de simulaciones

Desarrollos más importantes del grupo Software: Movimiento de partículas libres. Campo y Potencial de una línea de cargas. Fluidos (3 aplic.) Difracción. Campo y potencial en 3D (en desarrollo) Hardware: Placas A/D (8, 16 y 24 bits) Mov. de volantes en plano inclinado Circuitos RC, RL y RLC Lector de espectros de difracción

Modalidad de enseñanza utilizada en nuestro proyecto Uso de simulaciones predefinidas: - En forma independiente - En relación a actividades experimentales - Integradas a sistemas de adquisición de datos Elaboración de simulaciones por parte de los alumnos

Contenidos a desarrollar: 1) Marco teórico pedagógico - Modelos y simulaciones - Herramientas cognitivas - Aprendizaje colaborativo - Fundamentos constructivistas del uso de simulaciones en la enseñanza - Diseño didáctico con simulaciones 2) Contenidos específicos - Simulación de campos y potenciales - Simulación de circuitos de corriente continua - Simulación de circuitos RC - Simulación de circuitos RL y RLC - Simulación del campo magnético en un solenoide Curso a distancia: "Capacitación básica en uso de simulaciones”.

1) Realización de un trabajo monográfico en grupos de dos personas que contemple contenidos de los cuatro temas del marco teórico pedagógico (entre 4 y 6 páginas en Word, Fuente Time New Roman 12) 2) Entrega de informes de los trabajos prácticos de simulación realizados, en grupos de dos personas (en Word, Fuente Time New Roman 12) Material entregado a los alumnos: CD que contiene: Software,Guías de actividades, Artículos Evaluación del curso:

El principio de superposición en el Software “Línea de cargas”

Líneas de campo y superficies equipotenciales

Simulaciones con el software Difracción

Esquema del sistema RC – RL – RLC PC Tablero Interfase Cables de conexión Resistencias Capacitores Inductancias Fuente de tensión

Pantalla del sistema RC – RL y RLC (SIES)

Diferencia entre modelo ideal y sistema real RLC (placa de 8 bits)

Lector de espectros de ranuras y redes de difracción Motor PaP Laser Red Interfase PC Sensor

Pantalla del Lector de difracción

Enseñanza y Aprendizaje: Conceptos constructivistas Comprensión genuina O Aprendizaje significativo Contenidos con Significado lógico y psicológico Motivación Actividades colaborativas Actividades reflexivas en zona de desarrollo próximo Herramientas cognitivas Modelos mentales Metacognición

Nuevas tecnologías y educación “La primera aplicación de la nueva tecnología consiste, muy naturalmente, en hacer de un modo levemente diferente lo que se había hecho antes sin ella....Se necesitó una generación entera para que el nuevo arte de la cinematografía emergiera como algo totalmente diferente de la mezcla lineal de teatro más fotografía”. “La mayor parte de lo que se ha hecho hasta ahora bajo el nombre de “tecnología educacional” o “computadoras en educación” está todavía en la etapa de combinación lineal de viejos métodos de instrucción con tecnologías nuevas” (Papert, 1981, 52).

Necesidad de nuevos diseños didácticos : “las repercusiones de los nuevos desarrollos tecnológicos requieren ser estudiados desde una perspectiva pedagógica” (Maggio, 2000, 110), ya que “la transformación de las formas de enseñar no se produce por la renovación de los artefactos, sino por la reconstrucción de los encuadres pedagógicos de dicha renovación” (Idem).

Web, educación a distancia, poder informativo y constructivo Quiero dejar constancia del horror que siento cuando oigo hablar de cómo la Web permitirá que a cada estudiante le enseñe el "mejor maestro" del mundo. Nada podría estar más alejado de nuestra concepción, en la que el mejor maestro del mundo es aquel que tiene una relación cercana y de empatía con los estudiantes. La manera fundamental en que la tecnología digital ayudará es proporcionando más oportunidades para que maestros maravillosos trabajen con estudiantes maravillosos en proyectos en los que conjuntamente pongan en práctica ideas maravillosamente poderosas. Esta concepción de ninguna manera pretende minimizar el valor de Internet. Todo lo contrario: conlleva a un mayor reconocimiento de su poder. El verdadero poder de ambos lados de la tecnología digital - el informativo y el constructivo -aparece cuando se reúnen los dos. (Seymour Papert, 1999)

¿cómo evaluar las ventajas? “Los diseños experimentales corrientes`, como las comparaciones con un grupo de control o la modificación de una variable mientras se procura mantener constantes todas las demás, no captan el tipo de cambios complejos e interrelacionados que operan en este campo...Quizás nuevos diseños de investigación, o la combinación de métodos cuantitativos y cualitativos, permitan abordar estos problemas y proporcionarnos datos útiles para reflexionar sobre las complicadas decisiones que enfrentamos...pero esos datos de investigación no nos darán mayor sabiduría, ni la sensibilidad para ver que estamos en medio de un proceso de reformulación del significado y los fines de la educación, y no meramente intentando encontrar formas más rápidas o económicas, de hacer lo mismo que ya estábamos acostumbrados a hacer” (Burbules, 2001)

Cuestiones a tener en cuenta en la evaluación “El valor formativo y educativo de las herramientas cognitivas no se puede determinar estudiando la herramienta en forma aislada. En efecto, el análisis debe comprender, dialécticamente, la interacción entre las herramientas, las actividades, los actores y el contexto; a modo de especulación, es probable que parte de las experiencias infructuosas sobre la inserción de las computadoras en el ámbito escolar provengan de haber descuidado esos aspectos en las planificaciones previas”. (Rubén D. Martínez et al, 2000)

Conceptos pedagógicos de las actividades propuestas con simulaciones y sistemas de adquisición de datos La actividad de trabajos prácticos debería adquirir un rol central en el aprendizaje conceptual. No como una mera actividad de aplicación de conocimientos ya adquiridos, o como un simple aprendizaje de técnicas, sino como la instancia en la cual confluyen elementos teóricos con una actividad experimental, en la cual el alumno deba poner en juego esos conceptos. Es entonces en la correcta vinculación de teoría y práctica donde debe arribarse a mayores niveles de comprensión. Se trata de crear “ambientes de aprendizaje apoyados por el computador”, en los cuales el aprendizaje debe ser concebido como acumulativo, autorregulado por el alumno, dirigido a alcanzar metas en aprendizajes significativos, colaborativo, y asumiendo que debe tener procesos y logros individualmente diferentes (De Corte, 1996).

Características de nuestros diseños didácticos en T. P. 1. Problemas cualitativos y abiertos que requieren trabajo con simulaciones y análisis teórico. 2. Problemas que vinculen la simulación con la experimentación. 3. Integración de simulación y experimentación en un mismo entorno informático. 4. Análisis de dispositivos tecnológicos de uso corriente.

Ejemplo (T1): programa ELQ a) Demuestre numéricamente que en las cercanías de la zona central de la línea (a pocos centímetros de la misma), el campo es prácticamente proporcional a la inversa de la distancia a la misma, mientras que en puntos muy alejados varía con la inversa del cuadrado de la distancia. Explique las razones de estos comportamientos. b) Encuentre la relación entre lo hallado en el punto anterior, con la configuración de líneas de campo del sistema. c) En una vista lateral, en las cercanías del hilo cargado, se observan líneas de campo casi rectas y paralelas entre sí. Eso pareciera indicar que en esa zona existiría un campo prácticamente uniforme, lo cual estaría en contradicción con lo hallado en el punto 3-a. Resuelva esta aparente contradicción. d) En la zona central del hilo de observa que las líneas de campo llegan perpendiculares al mismo. ¿Cómo llegan en las cercanías de los extremos?. Explique el porqué de la diferencia de comportamientos y si en base a esto se puede afirmar que la línea finita con carga uniforme no es equipotencial.

Ejemplo (T1): Programa ELQ a) Demuestre numéricamente que en las cercanías del centro de la línea de cargas, el potencial varía en forma proporcional al logaritmo de la distancia. Demuestre que a grandes distancias el potencial decrece con la inversa de la distancia. Relacione este hecho con lo hallado en el punto 3-a. b) Demuestre numéricamente que el campo eléctrico se puede calcular mediante el gradiente del potencial. Para puntos cercanos entre sí, puede utilizar las aproximaciones:

Ejemplo (T1): Corriente continua Problema 3: Nos interesa comprobar la Ley de Ohm, obteniendo un conjunto de valores de tensión y corriente en una cierta resistencia (la resistencia fija de 1 K). Deseamos que los valores de tensión estén entre 0 y 12 V, a intervalos relativamente regulares como para construir luego una buena curva. ¿Cual de los dos circuitos siguientes utilizarías, y por qué? (puedes colocar instrumentos para justificar tu respuesta). ¿A cual se le llama “conexión potenciométrica”?:

Ejemplo (T1): corriente continua y RC Problema 5: Diseña un circuito en el cual se puedan verificar las dos leyes de Kirchhoff operando con los valores leídos en los instrumentos. Problema 3: En el siguiente circuito, se utiliza un voltímetro que puede considerarse ideal. Cerramos la llave A y la volvemos a abrir cuando se alcanza el estado estacionario. Luego se hace lo mismo con la llave B. a) ¿Cual será el voltaje final que indicará el voltímetro?. Realiza el cálculo analítico y compruébalo con la simulación. b) Analiza cualitativamente si el voltaje final será mayor o menor que el anterior, en caso que el condensador conectado al voltímetro sea de menor valor que el otro. Compruébalo.

Ejemplo (T2): Corriente continua (software EWB) Problema 2: Si tienes un generador (supuesto ideal) conectado a una cierta resistencia; y luego reemplazas esa resistencia por dos resistencias en serie (idénticas a la primera): (a) ¿Sería esperable que la intensidad de corriente se reduzca a la mitad? (b) Teniendo en cuenta la variación de resistencia por temperatura: ¿Que se podría esperar en un circuito que en vez de resistencias comunes se construye con lámparas en serie? ¿Está contemplado esto por el modelo del software?. Problema 7: Construye un circuito con resistencias comunes y otro con lámparas, para corroborar lo estudiado en el problema 2.

Ejemplo (T3): Oscilaciones electromagnéticas. Problema 5: a) Obtiene la gráfica de oscilaciones electromagnéticas del siguiente circuito, con el sistema de adquisición de datos del laboratorio. b) Calcula, con ayuda de la gráfica (midiendo las tensiones y tiempos de los picos), el valor de la constante  = 2L/R, correspondiente a la ecuación c) De acuerdo a lo que se puede deducir de la gráfica: ¿Se puede afirmar que la frecuencia se mantiene constante?. Formula alguna explicación. d) Compara la rapidez de la atenuación de las oscilaciones reales con la de la simulación (realizada con los parámetros RLC del experimento) y formula explicaciones al respecto. C L R E S 1 2

Ejemplo (T4): fem y magnetismo Problema 11(CC): Estudia en forma cualitativa la generación de FEM de distintos orígenes: (a) Químico: electrodos de Zn y Cu en líquido acidificado (ejemplo: limón). (b) Fotoeléctrico: celda fotovoltáica (c) Térmico: termopar compuesto por conductores de Fe y Cu. (d) Electromagnético: motor/generador Problema 9(Magnetismo): Describe el funcionamiento de una válvula de seguridad para quemadores de gas, analizando los distintos fenómenos físicos involucrados.

Ejemplo (T4): inducción electromagnética y circuitos con corrientes variables Problema 8: Analiza los campos magnéticos alternos que se generan alrededor de un monitor de computadora, utilizando una bobina, un circuito integrador y un osciloscopio. Encuentra la zona donde su valor es máximo. B (t) N R C

Opiniones de los alumnos: Este sistema requiere de más conocimientos teóricos para hacer los TP. Vinculamos mucho mejor la teoría con la práctica. Podemos visualizar mejor muchos fenómenos. Tenemos dificultad para interpretar “qué nos piden” y para saber “qué hay que hacer” Estamos demasiado acostumbrados a que nos den una “receta” para los TP. Creemos que estamos aprendiendo mucho mejor.

Conceptos y definiciones I La comprensión genuina se caracteriza por su mayor nivel de abstracción y la amplitud de su aplicabilidad. “La cuestión es cómo se puede sacar lo más posible de lo menos posible. Y el éxito consiste en aprender a pensar con lo que ya has adquirido.” (Bruner, 1997, pág ). Aprendizaje metacognitivo es aquel que situado en un nivel superior respecto al conocimiento específico, es capaz de facilitar y organizar la propia actividad de aprendizaje. Las habilidades metacognitivas son consideradas fundamentales para la adquisición, control y aplicación de los conocimientos. Las herramientas cognitivas (símbolos y artefactos) juegan el rol de soporte o vehículo del pensamiento. De esta manera se produce una suerte de asociación entre la mente y esos elementos, potenciándose la capacidad del individuo para abordar tareas complejas. Motivación intrínseca: es la voluntad a involucrarse en la actividad por si misma y no por influencia de factores externos. Influyen en eso la posibilidad de abordar actividades que implican importantes niveles de desafío, curiosidad y control. Modelo mental: Es la imagen o representación mental de un sistema. Son personales, variables y de contornos difusos. Juegan un rol fundamental en la forma con que abordamos la resolución de nuevos problemas.

Conceptos y definiciones II Trabajo colaborativo: los alumnos tienen que negociar metas, la representación del problema, como así también el significado de conceptos y procedimientos involucrados. Tienen que hacer explícitos su conocimiento y su pensamiento. ZDP: distancia entre el nivel de desarrollo actual de un individuo y un nivel de desarrollo potencial, más avanzado, que toma existencia en la interacción entre participantes más y menos capacitados en el entorno social en el cual tiene lugar esa interacción (incluyendo al docente y las herramientas cognitivas). Vygotsky afirma que la significación de la zona, es que ella determina las cotas superior e inferior en la cual debería ser ubicada la enseñanza. (D. Martínez et al, 2000)

Bibliografía Burbules, N. C., Callister, T. A.(h). (2001) “Educación: riesgos y promesas de las nuevas tecnologías de la información”. Ediciones Granica. España. Bruner, Jerome: La educación, puerta de la cultura. Visor. Madrid Burbules, N. C., Callister, T. A.(h). Educación: riesgos y promesas de las nuevas tecnologías de la información. Ediciones Granica. España. (2001) Maggio, M. El tutor en la educación a distancia. En: Litwin, E. (compiladora): La educación a distancia. Colección Agenda Educativa. Amorrortu Editores S. A.. Buenos Aires Perkins, David: La escuela inteligente. Gedisa. España Salomon, G. Cogniciones distribuidas. Amorrortu Editores S. A.. Buenos Aires Papert, S. Desafío a la mente. Computadoras y educación. Ed. Galápago. Buenos Aires Martínez Rubén D. et. al. SOBRE HERRAMIENTAS COGNITIVAS Y APRENDIZAJE COLABORATIVO. V Congreso Iberoamericano de Informática Educativa. Viña del Mar. Chile. Diciembre Papert, Seymour. Introducción al libro Logo Philosophy and Implementation, publicado por Logo Computer Systems Inc., LCSI, en Obra que contiene contribuciones de varios autores de distintos países. De Corte, Erik Aprendizaje apoyado en el computador: una perspectiva a partir de investigación acerca del aprendizaje y la instrucción. Congreso RIBIE/96 (Colombia).