Título: INVESTIGACIÓN PRELIMINAR SOBRE LA APLICACIÓN DE

Título: INVESTIGACIÓN PRELIMINAR SOBRE LA APLICACIÓN DE SIMULACIONES
INTERACTIVAS EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA
Autores: Agustín García Barneto1, Juan Luís Aguado Casas2 (1: Dpto Ingeniería Química,
Química Física y Química Orgánica. 2: Dpto Física Aplicada)
Titulaciones: Ciencias Ambientales, Geología
Universidad: Huelva
Resumen: El proyecto que presentamos pretende la introducción de las nuevas tecnologías de la
información y la comunicación (NTIC) en la enseñanza de la Física durante los primeros cursos
universitarios. Las actuaciones desarrolladas se enmarcan en dos grandes ámbitos: la creación
de espacios virtuales de aprendizaje y la introducción de la simulación de fenómenos naturales a
través del ordenador como recurso para el aprendizaje de los conceptos físicos. El eje central de
esta investigación preliminar ha sido el empleo de simulaciones informáticas interactivas
denominadas applets (o, particularmente, physlets). Una vez comprobado el potencial educativo
y las dificultades asociadas al uso de este recurso educativo, se ha procedido a la construcción
de un entorno constructivista de aprendizaje basado en él. Éste se ha aplicado a la enseñanza de
la Física con alumnos de segundo curso de Ciencias Ambientales y de primer curso de
Geología, en ambos casos como actividades académicamente dirigidas (AAD) dentro de las
Experiencias Piloto de ambas titulaciones.
1.- Introducción
En los últimos años se viene produciendo un cambio de paradigma educativo impulsado por la
imparable transformación de la sociedad industrial del siglo XX en la nueva sociedad de la
información del siglo XXI (Reigeluth, 2000). Las competencias y saberes demandados por las
nuevas estructuras productivas, y también por los nuevos roles sociales emergentes (Lakkala et
al, 2005), exigen que los centros educativos adapten sus métodos pasando de estrategias
instructivistas e individualistas a otras basadas en la colaboración y la re-construcción del
conocimiento. En esta línea cabe entender la iniciativa dirigida a la configuración del nuevo
Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), que en nuestro país se sustancia en el
documento-marco publicado en el 2003 por el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte
(MECD, 2003), donde se hace hincapié en una nueva concepción de la formación académica
dirigida por un lado hacia el aprendizaje del alumno, y, por otro, hacia una revalorización de la
función docente del profesor universitario.
En este contexto, la Facultad de Ciencias Experimentales de la Universidad de Huelva inicia
desde el curso 2003-2004 la Experiencia Piloto de Implantación del EEES en las titulaciones de
Ciencias Ambientales y Química, a las que se une la licenciatura en Geología en el curso 20052006. Como es sabido, en el desarrollo de estas Experiencias Piloto es necesario que el
profesorado elabore una serie de actividades académicamente dirigidas (AAD) a impartir en las
asignaturas afectadas, entre otras acciones relevantes. En nuestro caso decidimos centrar las
AAD sobre nuevas estrategias docentes que permitan desarrollar en los alumnos competencias
relevantes en su formación científica. Concretamente nuestro trabajo se ha basado en el uso de
simulaciones informáticas interactivas que modelan fenómenos naturales, particularmente las
programadas en lenguaje Java, los denominados applets o, particularmente, physlets cuando se
trata de simular procesos o fenómenos propios de la enseñanza de la Física universitaria
(Esquembre et al., 2004).
Es relevante destacar que la incorporación de simulaciones informáticas a la enseñanza de la
Física debe entenderse como un problema tecnológico y didáctico. Si bien es verdad que se
necesitan equipos y aplicaciones informáticas sofisticadas, también lo es que la ausencia de
estrategias adecuadas para hacer útil esa tecnología en el aprendizaje de conceptos y en el
desarrollo de habilidades propias del trabajo científico puede dificultar su consolidación futura
en las aulas. Por ello, tienen interés las investigaciones orientadas a poner de manifiesto las
condiciones óptimas en que debe desarrollarse una enseñanza apoyada en el uso de estas
simulaciones informáticas.
2. Objetivos y metodología
Aunque los applets pueden usarse con cualquier metodología (Bohigas et al, 2003), la mayoría
de autores indican que las simulaciones han de ser utilizadas en un contexto investigativo
(Christian, 2001). En este sentido es relevante señalar cómo algunos autores ponen de
manifiesto la ineficacia del uso de las simulaciones si los alumnos se limitan a observarlas y no
interactúan con ellas (Otero et al., 2003). Por todo ello, en el primer año de puesta en marcha de
nuestra investigación (curso 2004-2005) el objetivo principal era valorar la eficacia de las
simulaciones informáticas para producir aprendizajes significativos en un campo concreto de la
enseñanza de la Física: movimiento armónico simple y movimiento ondulatorio (Bolívar et al.,
2005). Posteriormente, curso 2005-2006, se trató de diseñar y estudiar el efecto que tienen los
entornos constructivistas basados en la web sobre el aprendizaje de los alumnos. Se define
entorno constructivista de aprendizaje basado en la web como aquella herramienta que permite a
los alumnos sentarse ante el ordenador y acceder a una “mesa digital” que les dota de recursos
para enfrentarse a la resolución de tareas problemáticas reales especialmente motivadoras
(Rubens et al., 2005). Suministra información en varios formatos audiovisuales, da ejemplos
relacionados, dota al estudiante de un espacio de simulación que permite modelar las tareas y de
un espacio de comunicación que permite establecer comunicación entre alumnos y profesor.
Básicamente, con este entorno los alumnos aprenden investigando.
Como ya se ha indicado, en el primer tramo de nuestro trabajo los contenidos relativos a los
movimientos armónicos simples y ondulatorios de la asignatura Física Ambiental de 2º curso de
la Licenciatura de Ciencias Ambientales fueron impartidos con ayuda de simulaciones
informáticas. Para ello las clases se desarrollaron en un aula de ordenadores donde los alumnos
resolvían las actividades planteadas por medio de investigaciones que incluían el uso de applets.
Como material didáctico los alumnos dispusieron de una colección de simulaciones interactivas
obtenidas en Internet (EHU, 2003) y recopilados en un CD-ROM junto a un programa-guía de
actividades (Figura 1). Este primer cuestionario cumplía entonces una doble función. Por un
lado complementaba las instrucciones que acompañaban a los applets dado que éstas no eran
las adecuadas para articular un proceso educativo como el que tratábamos de impulsar. En
segundo lugar desarrollaba los contenidos de los temas por medio de un conjunto de actividades
(tomas de datos, planteamientos de hipótesis, diseño de experiencias, ejercicios) que debían
responderse por escrito antes y después del uso de las simulaciones dándose además un grado de
confianza en la respuesta aportada. De esa manera los alumnos, lejos de usar mecánicamente las
simulaciones, se veían inmersos en un largo proceso investigador orientado a producir
aprendizajes significativos.
CUESTIONARIO SOBRE ASPECTOS BÁSICOS DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE
Cuestión 1.-
La figura representa un péndulo de longitud L, que oscila con
una amplitud θ y del que cuelga una masa m. Todo ello
tienen como consecuencia que su periodo tenga un valor T.
¿Cuál o cuáles de las siguientes magnitudes modificaría usted si deseara cambiar el periodo de oscilación del citado péndulo?
a) Masa
b) Longitud
c)Amplitud
d)Posición y velocidad iniciales
Justificar la respuesta:
Indique el grado de confianza que tiene en la respuesta dada (de 0 –confianza nula- a 10 –confianza plena-):
Figura 1: Ejemplo de actividad (cuestionario) a desarrollar por el estudiante antes y después de hacer
uso de la simulación interactiva de un determinado fenómeno físico.
En consecuencia, la labor de los alumnos tenía dos partes diferenciadas: el trabajo en el aula
(seis horas) y el trabajo en casa (estimado inicialmente en nueve horas como mínimo, 1,5 horas
por cada hora de aula). El trabajo en el aula estaba dirigido a que los alumnos conocieran el
funcionamiento de los applets y, sobre todo, a que iniciaran las pequeñas investigaciones
planteadas en el programa-guía de actividades. El trabajo en casa debía completar el realizado
en el aula, terminar las investigaciones no acabadas, abordar las que no se habían iniciado y, en
todo caso elaborar los informes necesarios. Todos los applets fueron manejados en el aula
previamente al trabajo en casa, iniciándose la mayoría de las investigaciones sugeridas.
La evaluación educativa del proyecto se realizó bajo dos perspectivas. Una dirigida a valorar los
aprendizajes conseguidos por los alumnos a través de los cuestionarios antes mencionados y que
los enfocábamos a concepciones alternativas previamente detectadas, y otra en la que los
alumnos eran encuestados sobre diferentes aspectos de la docencia universitaria recibida (y, en
particular, el uso que podrían tener en ella las NTIC) a la luz de la experiencia que habían tenido
con el uso de los applets (Figura 2).
CUESTIONARIO RELATIVO A DIVERSOS ASPECTOS DEL PROCESO DE ENSEÑANZA APRENDIZAJE Y LA
INCORPORACIÓN DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y LA COMUNICACIÓN (NTIC)
Responda a las siguientes afirmaciones indicando el grado de acuerdo o desacuerdo que tenga con cada una de ellas:
1.- La atención que se presta en clase no tiene nada que ver con el estilo metodológico del profesor
Acuerdo
Indiferente
Desacuerdo
2.- La realización de pequeñas investigaciones a lo largo del desarrollo de las asignaturas permite que el alumno se familiarice con
las tareas propias del trabajo científico.
Acuerdo
Indiferente
Desacuerdo
3.- El bajo rendimiento mostrado habitualmente por los alumnos en las asignaturas de “ciencias” , y en particular en Física, tiene
que ver con lo difíciles de comprender que son los conceptos que en ella se utilizan
Acuerdo
Indiferente
Desacuerdo
Figura 2: Ejemplo de cuestionario a responder por los estudiantes tras hacer uso de las simulaciones
interactivas, con el objeto de evaluar la utilidad de las NTIC en la asignatura.
La segunda parte de nuestro trabajo se aplicó durante el curso 2005-2006 a estudiantes de Física
de 1º de Geología y de Física Ambiental de 2º curso de Ciencias Ambientales dentro de las
AAD de ambas asignaturas. En este caso debemos distinguir tres etapas metodológicas:
a) Diseño del entorno de aprendizaje para lo cual se ha efectuado una selección de contenidos
(continuamos con el tratamiento de las vibraciones y las ondas), una secuenciación de
contenidos (a través de la simplificación de tareas el alumno investiga problemas reales con
niveles de complejidad crecientes), un diseño de episodios educativos (éstos son las unidades de
tratamiento en el entorno, en ellos se plantean actividades, se suministran los recursos
adecuados y, por último, se evalúan los aprendizajes), y, finalmente, la creación de los ficheros
HTML conteniendo los applets Java, muchos de los cuales fueron los ya empleados en el curso
anterior (UHU, 2005).
b) Uso del entorno de aprendizaje, el cual se realizó en dos fases, una presencial en el aula de
ordenadores donde los alumnos resolvieron dudas relacionadas con el entorno y con conceptos
básicos de las vibraciones y las ondas, y otra no presencial en la que usaron la web antes
referida para realizar las investigaciones planteadas. En este caso, los alumnos se encuadraron
en los grupos de AAD previamente conformados en la ficha ECTS de las asignaturas afectadas
las cuales, por primera vez, ponían en práctica la Experiencia Piloto de cada titulación.
Estimábamos que entre el trabajo en el aula del estudiante y el trabajo en casa se debía
completar las horas dedicadas a AAD de cada asignatura. Nuevamente el trabajo en clase estaba
dirigido a que los alumnos conocieran el funcionamiento de los applets y, además, a que
iniciaran las pequeñas investigaciones planteadas en el programa-guía de actividades.
c) Evaluación educativa sobre los efectos del entorno de aprendizaje. Ésta se ha realizado, por
un lado, siguiendo el mismo método que empleamos en nuestro primer año de trabajo (valorar
el aprendizaje desarrollado y el uso de las NTIC), y, por otro, comprobando lo oportuno del uso
de esta nueva metodología docente como AAD en las asignaturas que participan de la
Experiencia Piloto.
3.- Resultados y discusión.
A. Evaluación de los aprendizajes conseguidos
Como ya se ha indicado la valoración de los aprendizajes se ha realizado en base a cuestionarios
centrados en conceptos cuidadosamente seleccionados. Como la significatividad de los
aprendizajes está estrechamente relacionada con la capacidad de aplicarlos en situaciones
diferentes a aquellas que sirvieron para aprenderlos, las cuestiones planteaban nuevos escenarios
(con un cierto aire de familia) e incidían en hechos o fenómenos que la investigación educativa
había revelado como de especial interés (ya sea por la importancia del fenómeno o por la
presencia de concepciones alternativas). El mismo cuestionario fue respondido antes y después
del uso del entorno y en cada pregunta se le pedía al alumno un índice de confianza (de 1 a 10)
en su respuesta. La Tabla 1 recoge los resultados obtenidos en los cursos 2004-2005 (Bolívar et
al., 2005) y 2005-2006.
Concepto físico
Periodo péndulo
Relación periodo muelle-condiciones
iniciales
Posición extremo muelle-tiempo
Velocidad extremo muelle-posición
Energía MAS
Gráfico e-t movimiento ondulatorio
Gráfico v-t movimiento ondulatorio
Longitud de onda mov. ondulatorio
Mov. partículas-propagación sonido
Mov. partículas-propagación luz
Relación frecuencia ondas-medio
Interferencia ondas estacionarias
Longitud onda-onda estacionaria
Refracción
Difracción
PROMEDIO
Tabla 1: Resumen de las variaciones
Antes
35% (5)
8% (3)
2004-2005
Después
37% (6)
50% (6)
Antes
25% (4)
5% (4)
2005-2006
Después
97% (9)
90% (9)
0% (5)
10% (5)
1% (5)
0% (9)
0% (4)
0% (8)
0% (4)
0% (8)
39% (6)
67% (8)
27% (4)
95% (9)
7% (3)
3% (7)
5% (5)
1% (7)
18% (4)
38% (6)
39% (4)
63% (7)
93% (7)
91% (8)
67% (5)
98% (9)
31% (4)
66% (6)
24% (3)
96% (8)
63% (4)
45% (6)
62% (3)
82% (8)
47% (5)
53% (8)
20% (4)
84% (7)
18% (4)
90% (8)
25% (4)
87% (8)
11% (3)
40% (7)
26% (4)
49% (8)
72% (6)
70% (8)
49% (3)
99% (8)
52% (5)
82% (8)
30% (3)
94% (8)
33% (5)
49 % (7)
29% (4)
69 % (8)
en los porcentajes de aciertos antes y después del uso de las
simulaciones interactivas (entre paréntesis el índice de confianza dado por el alumno a la respuesta).
En ambos cursos se observa que, en términos globales, el uso de los applets y del entorno tienen
efectos positivos sobre el aprendizaje de aspectos básicos de los fenómenos estudiados, sobre
todo en el último año donde se pasa de un 29 % a un 69% en las respuestas a estas cuestiones no
memorísticas, mientras que en el curso anterior la evolución pasaba de un 33% a un 49%.
Asimismo es de destacar que la confianza media en las respuestas dadas aumenta en ambos
cursos, colocándose en el entorno de 7 u 8 unidades sobre 10 tras la realización de las
actividades.
Por otra parte, el análisis de las respuestas dadas muestra una notable mejoría en la calidad y
cantidad de los argumentos empleados, que pasaron de ser inexistentes o anecdóticos a reflejar
aprendizajes sólidos y estructurados.
Junto a estos aspectos positivos también hay que señalar la ineficacia de la estrategia empleada
para superar algunas concepciones erróneas especialmente arraigadas en los alumnos; en
particular las relacionadas con el carácter sinusoidal del movimiento armónico simple (los
alumnos aún lo interpretan linealmente, suponiéndole velocidad constante) o la asociación
unívoca del movimiento ondulatorio con las ondulaciones que presenta el medio de propagación
en algunos casos (ondas sobre la superficie del agua). Aunque estos aspectos parecen requerir
un tratamiento específico más profundo, en ellos también se ha apreciado una mejoría de los
alumnos ya que sus respuestas revelan que en la mayoría de los casos han pasado desde
concepciones indiferenciadas y acientíficas a otras (el mencionado modelo lineal) apoyadas en
consideraciones lógicas (aunque no coherentes con el conocimiento científico).
B. Evaluación de la docencia habitual y la incorporación de las NTIC
Del análisis de las respuestas al cuestionario correspondiente, podemos destacar lo siguiente:
- La mayoría de los alumnos consultados (>70%) no habían cursado la asignatura de Física de 2º
de Bachillerato. Ello explica el bajo rendimiento habitual en la asignatura de Física o Física
Ambiental con el argumento de que los conceptos físicos son difíciles de entender (expresado en
torno a un 85% de los encuestados en ambas investigaciones).
- La metodología empleada por el profesor tiene repercusión sobre la atención y el rendimiento
de los alumnos. Éstos conceden mucha importancia (95%) al trabajo en grupo y a la realización
de investigaciones durante su periodo de formación universitaria (aspecto este último nada
habitual según los alumnos).
- La forma de evaluar tiene incidencia tanto en la atención de los alumnos como en su presencia
en las aulas. En general los alumnos creen que los exámenes habituales promueven aprendizajes
memorísticos y no miden lo que realmente saben (80%).
- Fuera del ámbito educativo el ordenador se usa normalmente para escuchar música, usar
correo electrónico, chatear, etc. En relación con los estudios, los alumnos reconocen que no
usan habitualmente las NTIC (<40%), agudizándose el rechazo cuando la tarea está relacionada
con el aprendizaje de los conceptos y procedimientos científicos.
- Junto al reconocimiento de que los profesores no hacen uso habitual de las NTIC en el proceso
de enseñanza y aprendizaje, los alumnos están de acuerdo en que el ordenador en el aula
aumenta su interés por la Física, que las simulaciones pueden ayudar a resolver los problemas
de aprendizaje y facilitan la comprensión de ciertos conceptos físicos, sobre todo si se incluyen
en el desarrollo de una investigación (90%).
No obstante es importante matizar esta última opinión favorable que muestran los alumnos en
base a las siguientes consideraciones: a) El uso de las NTIC pasa por el acceso de los alumnos a
ciertos recursos básicos como es, en este caso, el ordenador. No todos ellos disponen de un
ordenador en casa, hecho que dificulta el uso de los applets fuera del ámbito académico. b)
Antes de usar los applets los alumnos han de tener una previa formación informática (uso de
hojas de cálculo, procesadores de texto, etc.) y científica (relacionada con el tema en estudio)
que les permita comprender y analizar el fenómeno simulado. c) Los applets han de estar
insertos en un programa de actividades que le dé sentido, en caso contrario se convierten en una
especie de pasatiempo científico, y, durante su desarrollo los alumnos deben ser orientados por
un profesor. d) El uso de las simulaciones requiere tiempo y para sacarles provecho exigen
estudio y dedicación. e) Aunque son pocos, no todos los alumnos encuentran ayuda en las
simulaciones, los hay que en lugar de ellas prefieren clases teóricas.
- El número medio de horas de trabajo autónomo declarado en nuestros cuestionarios por los
alumnos para realizar las diferentes actividades a través de la web o del CD-ROM suministrado
era de 20 horas. Este dato supera las previsiones mostradas en las fichas ECTS de las
asignaturas y, paralelamente, coincide con los resultados de las encuestas que sobre el desarrollo
de las Experiencias Piloto elabora la Facultad de Ciencias Experimentales de la Universidad de
Huelva.
C. Evaluación de las actividades en el marco de las Experiencias Piloto.
Como ya se ha indicado, nuestra investigación educativa fue enmarcada en el curso 2005-2006
dentro de las AAD previstas para las asignaturas de Física de 1º de Geología y Física Ambiental
de 2º de Ciencias Ambientales. Por ello, es necesario evaluar si esta práctica docente ha
resultado adecuada como AAD de las asignaturas mencionadas.
Como se ha indicado, la Facultad de Ciencias Experimentales de la Universidad de Huelva
encuesta a los estudiantes durante el curso tratando de estudiar, entre otros factores, el impacto
que las AAD tienen sobre los resultados docentes de las distintas asignaturas.
De los datos obtenidos de estas encuestas para la asignatura de Física Ambiental (de Física de
Geología aún no se tienen los datos en el momento de redactar estas líneas por ser asignatura
anual) destacamos el hecho de que casi el 60% de los encuestados declaran que han invertido
más de 8 horas semanales en las AAD fuera aparte del trabajo realizado en el aula y que casi un
80% estima que su esfuerzo en la realización de estas AAD ha sido elevado. Al tener en cuenta
que la investigación educativa se desarrolló en el plazo de un mes aproximadamente, este dato
revela que el grado de esfuerzo declarado por los estudiantes supera con creces la estimación de
dedicación a las AAD contemplada en la ficha ECTS de ambas asignaturas. Ese esfuerzo
explica que un 55% de los encuestados consideren que estas AAD afianzan mucho o
aceptablemente los conocimientos de la materia. Además un 62% confiesa que la AAD ha
facilitado la comprensión de la asignatura. Todos estos datos desembocan en un dato
esperanzador: en Física Ambiental el porcentaje de alumnos presentados al examen de la
asignatura pasó de un 25% en el curso 2004-2005 a un 54% en el curso 2005-2006. Entendemos
entonces que el esfuerzo docente realizado por profesores y alumnos en las AAD bajo el
formato de simulación interactiva no puede ser ajeno a este dato positivo. Ahora bien, parece ser
que la innovación introducida es aún insuficiente dado que el número de alumnos suspensos
pasó de un 40% en el 2004-2005 a un 60% en el 2005-2006. De los muchos factores que pueden
haber influido en este aparente retroceso debemos sin duda destacar la propia predisposición o
percepción de los estudiantes: los repetidores de la asignatura (un 63%) reconocían en las
encuestas que las AAD realizadas aumentaban poco o regular las posibilidades de éxito en la
asignatura (43%).
4. Conclusiones
Al iniciar la investigación, y en relación con los movimientos armónico simple y ondulatorio,
los alumnos manifiestan diversas concepciones alternativas y un marco conceptual propio poco
desarrollado y basado en el sentido común. Tienen dificultades para comprender la naturaleza
de los osciladores armónicos, razonando sobre ellos desde planteamientos básicamente lineales
(movimiento uniforme que cambia de sentido), y no distinguen adecuadamente entre el
movimiento ondulatorio del medio y el oscilatorio de sus partículas.
Teniendo en cuenta este punto de partida y el trabajo desarrollado por los alumnos, los
profesores que han participado en esta investigación preliminar creen que la experiencia
realizada (ligada a la implementación de los créditos ECTS) ha supuesto un impulso importante
en la motivación de los alumnos por la Física. Una metodología apoyada en programas-guía de
actividades basados en experiencias realizadas mediante applets, ha supuesto que el alumno
realice un mayor esfuerzo en el aprendizaje de la metodología científica y en la profundización
de ciertos conceptos que son difíciles de adquirir sin una intensa aplicación de ellos en
diferentes contextos. La encuesta que hemos pasado a los alumnos es, en general muy
satisfactoria, y la mayoría de ellos consideran que esta metodología es muy superior a la
anteriormente utilizada en el departamento, donde el alumno recibe sus clases con exposiciones
magistrales que después se reafirman en las sesiones de laboratorio.
No obstante, es de destacar una serie de dificultades: existen concepciones alternativas de los
alumnos que no han podido ser superadas, hay alumnos que tienen dificultades para acceder al
entorno, y, finalmente, los alumnos han valorado como excesivo el trabajo que se les ha
asignado así como insuficiente el número de horas dedicado a introducirles en la actividad y
aclarar dudas sobre conceptos físicos. Ello se ha traducido en un todavía elevado número de
suspensos en las materias que nos ocupan. Por tanto, para próximos cursos deberemos reformar
los materiales docentes, pero sin perder de vista que el principal objetivo es que el alumno
aprenda los conceptos físicos a partir de su empleo en diferentes tareas prácticas que se han de
realizar haciendo uso de los applets bien en el aula de informática, bien en casa. Sea como
fuere, los resultados obtenidos nos animan a extender el uso de los entornos y simulaciones a
otros fenómenos físicos que habitualmente se estudian en los primeros cursos de Universidad.
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