IE049

Sistemas de herramientas para la enseñanza y el aprendizaje de la Disciplina Física.
Autor: M. Sc. Lic. Francisco Arturo Ruiz Martínez.
Ponente: M. Sc. Lic. Francisco Arturo Ruiz Martínez.
Grupo de Enseñanza de la Física. Departamento de Física. Facultad de Matemática, Física y
Computación. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.
País: Cuba.
Nombre del Evento: VIII Congreso Internacional de Informática en la Educación
Palabras claves: Herramientas, enseñanza, aprendizaje, Física.
Resumen.
En el siguiente trabajo se presenta un sistema de herramientas computacionales para ser utilizado
en la enseñanza y aprendizaje de la Disciplina Física de la carrera Ingeniería en Telecomunicación y
Electrónica. Este sistema de herramientas se ha utilizado por dos cohortes de estudiantes de esa
carrera y por sus profesores en el contexto de un experimento pedagógico cuyo objetivo principal
era el estudio de la aplicación de técnicas que estimulen y desarrollen la creatividad, la
independencia y la capacidad de aprendizaje de los estudiantes y su responsabilidad, tanto
individual como colectiva ante su estado cognitivo.
El sistema de herramientas consta de los siguientes elementos:

Un sitio Web que contiene un libro electrónico con los contenidos de las tres asignaturas de la
disciplina.

Una base de datos que contiene un conjunto de situaciones problémicas diseñadas totalmente
por el autor del presente trabajo y a las que se da solución en las actividades prácticas de la
disciplina. El trabajo con estas situaciones problémicas constituye un elemento importante del
experimento pedagógico mencionado.

Una base de datos que contiene un sistema de tareas para las prácticas de laboratorio.

Un conjunto de cuatro entrenadores inteligentes para asistir a los estudiantes en la valoración de
su estado cognitivo.
Este conjunto de herramientas computacionales se constituyen en sistema no solo por las
interconexiones entre ellos y las semejanzas en los criterios de diseño en cuanto a sus
presentaciones, sino principalmente por su concepción pedagógica sistémica y en concordancia con
los objetivos y exigencias de la disciplina.
Introducción.
En la actualidad se ha desplegado el uso de las Nuevas Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones (NTIC) en todos los terrenos de la ciencia, la tecnología y otras ramas de la
actividad humana.
La educación es un beneficiario natural de estas tecnologías. Aunque la educación no se puede
reducir a la simple transmisión de información, en ella se requiere de soportes para poner a
disposición de los estudiantes la información que contenga los principales desarrollos teóricos, los
métodos teóricos y experimentales, y las principales aportaciones prácticas a las tecnologías y la
sociedad de una o varias ramas del saber humano. [Barceló]; [Pérez]; [Villalobos (1998)].
Así las redes locales en centros de educación y la Internet se constituyen en poderosos vehículos
para que los estudiantes accedan a la información de valor necesaria.
Pero no todo material es adecuado a los propósitos de determinado curso y a los intereses diversos
de grupos dados de estudiantes. Es por eso que se justifica que en cada tipo de curso y lugar se
desarrollen los soportes que satisfagan esas necesidades. A esto se puede añadir la existencia de
distintos enfoques pedagógicos que hacen que cada material docente tenga la impronta del enfoque
que sustenta el equipo que lo elaboró. [Jenci (1998)]; [Colectivo de autores del CEPES. (1991)];
[Navarro].
Ante la necesidad de la experimentación pedagógica en la búsqueda de conocimientos menos
reproductivos y a la contribución en la formación de un futuro profesional más creativo, con mayor
capacidad individual y colectiva de aprendizaje y un mayor grado de responsabilidad por sus
conocimientos y las habilidades que pueda adquirir a partir de ellos y ante el colectivo y los colegas,
estimulando su espíritu de colaboración y cooperación; se hizo necesario la disponibilidad de un
texto que se ajustara a estos requerimientos y junto a él un conjunto de otras herramientas para su
complementación.
De ahí la necesidad principal del desarrollo del sitio Web con las materias que se estudian en las
tres asignaturas de la disciplina Física.
Además se dispuso el desarrollo de las otras herramientas. Entre ellas las bases de datos con las
situaciones problémicas para las clases prácticas y las tareas del laboratorio.
Las formas tradicionales de enseñar y aprender la Física en los aspectos prácticos no permiten
rebasar el nivel de asimilación reproductivo. [Gil (1996)].
La propuesta realizada en el experimento mencionado se basa en que los estudiantes se
enfrentaran, trabajando en equipos y en grupo, a la resolución de una colección de situaciones
problémicas de un carácter más abierto las cuales estuvieran más cercanas a las situaciones a las
cuales se enfrentarán los estudiantes una vez graduados. [Chávez, J. (1999)]; [Colectivo de autores
del CEPES. (1991)]; [Colectivo de autores. (1996a)]; [Colectivo de autores. (1996b)].
La colección de situaciones problémicas, creadas especialmente por el autor del presente trabajo, se
dispuso en una base de datos caracterizadas por su relación con una temática y sub temática de la
materia de estudio, su grado de dificultad y en la cual se brinda el texto o contenido de cada
situación problémica y otras informaciones útiles.
Algo semejante se realizó con respecto a las tareas de las prácticas de laboratorios. Estas
colecciones de tareas fueron organizadas en una base de datos correspondiente. Estas tareas o
situaciones problémicas de laboratorio que se distinguen de las de las clases práctica en que en
ellas se toman en cuenta la riqueza de la realidad, que supone correcciones a los modelos teóricos
establecidos y por ello la aplicación consecuente de la Teoría de Errores.
Con vista a permitir que los estudiantes ejercieran un control y evaluación más efectivo de su estado
cognitivo, tanto en lo individual como en lo colectivo, se concibieron varios entrenadores que le
auxiliaran en esta tarea en partes de los contenidos de estudio que tradicionalmente encierran
grandes dificultades y que permitiera los estudiantes construir y reconstruir sus conocimientos.
Ya antes se habían desarrollado y utilizado con buen éxito varios Materiales Educativos
Computacionales (MEC) a partir de la utilización de técnicas asociadas con la Inteligencia Artificial
(IA). Uno de los métodos utilizados es a partir de una máquina de inferencia adaptada para las
aplicaciones en la enseñanza: la Máquina de Inferencia para Sistemas de Enseñanza (MISE).
[CHA94] [GAR95] [GAR93] [GAR97] [GAR98] [RUI95]
Los actuales entrenadores se realizaron con las mismas técnicas de inteligencia artificial en la
búsqueda de una buena adaptabilidad a los estudiantes, pero concebidos a tono con la tendencia
pedagógica que propugna el experimento pedagógico que se desarrolló.
En concreto los cuatro entrenadores concebidos tratan sobre las siguientes materias: la Mecánica
Newtoniana, con las Leyes de Newton como su núcleo teórico (DINÁMICO); el Electromagnetismo
Clásico (ELECTROMAG); la Óptica Ondulatoria, con énfasis en la Interferencia Luminosa
(INTERFER) y la Mecánica Cuántica (CUÁNTICO).
En la actualidad se dispone de una versión del tercero de esos entrenadores denominado
INTERFER que ha sido utilizada por los estudiantes con buenos resultados y con criterios favorables
de los propios estudiantes. En cuanto a los otros tres, se encuentran en las etapa de desarrollo.
Desarrollo.
Para el diseño del sitio Web se determinaron las necesidades de los estudiantes de la carrera de
Ingeniería en Telecomunicaciones en cuanto a los contendidos curriculares de la disciplina Física.
Los puntos de partida fueron el Plan de Estudio de la Carrera; el Programa de la disciplina y la
bibliografía disponible para estos contenidos y su nivel de profundidad y el rigor de los autores en el
tratamiento de los temas. Se adoptó el enfoque pedagógico Histórico – Cultural. Con vistas a activar
los más posible la capacidad del aprendizaje simulando la investigación científica, se requería de
una colección de situaciones
Para dar un enfoque de sistema a todo el curso, la información debería contener los requerimientos
para las prácticas de laboratorio, las cuales no se realizarían en la forma conductista tradicional.
Como herramientas para el desarrollo del sitio su utilizaron las suministradas por la familia Office de
Microsoft, que también has sido utilizadas en los otros elementos del sistema.
El sitio se diseño de forma que las conferencias fueran los elementos básicos de su estructura. Se
concibieron las páginas de cada conferencia de manera que desde cualquiera de ellas se pudiera
acceder a las bases de datos que contienen todas las situaciones problémicas para las clases
prácticas y las tareas para las prácticas de laboratorios. Desde cada página se puede rápidamente
enviar un correo al profesor para aclarar dudas.
El sitio completo de Física se ha divido en tres partes o componentes, una para cada asignatura, a
saber: MFM, para Mecánica y Física Molecular; EMO, para Electromagnetismo y Óptica y FC, para
Física Cuántica.
El sitio tiene las características de un libro electrónico, pues cuenta con todos los elementos que
integran un libro como tal.
Este sitio ha sido de amplia utilización por los estudiantes y ha permitido un trabajo más coherente
en todo el trabajo de la disciplina.
En el diseño de las bases de datos se previó la clasificación de las situaciones problémicas
atendiendo a la parte de los contenidos con la que se relaciona, el grado de dificultad o laboriosidad,
etc.
La base de datos consta de los formularios que permiten la introducción de nuevas situaciones
problémicas o alguna corrección y ver las existentes y además de los informes que permiten la
recuperación adecuada de la información contenida en al base de datos. En estos elementos
además del texto de la situación problémica se ofrecen otras informaciones de sumo interés.
Para elaborar estas situaciones problémicas se partió en todos los casos de los sistemas de
objetivos; de habilidades; de valores y de conocimientos que prescribe el programa de la disciplina
para esta carrera. Además se diseñaron tomando en cuenta formulaciones que se acercaran a
enfoques generalizadores de las Física y las potencialidades de los estudiantes en cada estadio de
su estado cognitivo. Esta colección de situaciones problémicas es totalmente inédita.
Para el caso de las tareas de laboratorio, la base de datos tiene características semejantes a la de
las situaciones problémicas de las clases prácticas, pero tomando en cuenta las diferencias que
impone la realidad experimental y el trabajo de laboratorio se realiza con ciertas semejanzas con los
experimentos científicos.
Los resultados obtenidos de la aplicación de estos métodos y las colecciones de situaciones
problémicas se puede resumir en que los estudiantes han desarrollado un trabajo en equipos y en el
seno del grupo, estimulándose la responsabilidad colectiva ante el aprendizaje. Además se han
manifestado de manera más explícita las capacidades creativas de cada estudiante y de los
equipos. Y los estudiantes han tenido la oportunidad de concebir sus propios conocimientos como
algo en permanente movimiento y desarrollo, al tener que reconstruir y construir sus conocimientos
de forma que se haga posible la resolución de la situaciones problémicas.
En lo relacionado con el análisis, diseño y desarrollo del INTERFER se tiene que mediante la
consulta con los expertos entre los profesores de Óptica Ondulatoria en el nivel universitario se
determinó la necesidad educativa para continuar desarrollando la nueva versión del entrenador
INTERFER. En particular en el caso de la carrera que nos ocupa. La nueva versión debía permitir
más versatilidad, más facilidades en la inclusión no solo de imágenes sino también de otros
elementos, sino de otras tipos de objetos tales como archivos de animaciones, videos, formularios
con mayor interactividad, archivos de sonido, etc. Esta nueva versión debía estar desarrollada bajo
la mira del enfoque pedagógico que sustentaba todo el sistema de herramientas computacionales
utilizado, que fue el Modelo Histórico - Cultural. [RUIZ2000]
Para el diseño computacional de este tipo de entrenador es necesaria la construcción de un árbol
que indique la jerarquización de los objetivos para la construcción de la base de conocimientos. Este
estudio se realizó con los métodos de la Ingeniería de “Software” Educativo. Para ello se buscó
información entre un grupo de profesores universitarios seleccionados por su tiempo como docentes
en esta área de la Física y por sus buenos resultados en esa labor. Además se trabajó con los
criterios de varios especialistas en Óptica. Y además se consideraron los objetivos y habilidades que
exige el plan de estudios. Con todos estos elementos de llegó a la construcción del árbol cuyos
nodos son los correspondientes objetivos, correspondientemente jerarquizados. Todo esto en
concordancia las metodologías propuestas en trabajos anteriores. [CHA94]
En otro ámbito de estos elementos pedagógicos se debe trabajar en la concepción de las preguntas,
textos aclaratorios y de otros tipo con los que debe relacionarse el cliente del entrenador. Esto
requiere de un diseño lo más exhaustivo posible de cómo debe quedar redactada cada pregunta o
texto que va a llegar al estudiante desde tres puntos de vista: su corrección técnica o carácter
científico del material que se expone; su alcance didáctico y claridad en lo que se expone y
utilización, didácticamente necesaria, de las distintas posibilidades en cuanto los distintos medios a
emplear.
Desde el punto de vista computacional en el caso del INTERFER se tomó la decisión, en un intento
de dar respuesta a las necesidades vistas en el análisis realizado, de utilizar un formato de página
Web para las preguntas y todas las ventanas con la que interactúa el estudiante. Esto permitió la
utilización de todas las posibilidades multimediales de estas páginas y la vez las posibilidades
interactivas de los formularios y objetos que pueden disponerse en estas páginas y las posibilidades
de enviar información desde estas páginas hacia archivos que después pueden ser manipulados
tanto para la extracción de la información, como para la actualización de tales archivos desde la
WINMISE Además, se decidió emplear como visualidor de las páginas Explorador de Internet.
Se diseñaron las preguntas en forma de situaciones problémicas abiertas ante las cuales el
estudiante ha de valorar las relaciones entre las magnitudes que caracterizan los conceptos y sus
interdependencias desde el punto de vista de la Teoría Electromagnética de la Luz (TEM) en la
explicación de los fenómenos de la Interferencia Luminosa y sus aplicaciones.
En la versión que se presenta se dejó al estudiante la tarea de auto evaluarse, brindando, a través
de una página Web, a la MISE la información necesaria para que esta máquina pudiera realizar la
tarea de la inferencia correspondiente. La auto evaluación la realiza el estudiante después de
disponer de una página en la cual se le brindan aclaraciones de carácter teórico que contribuyan a la
solución de la situación problémica, sin que se ofrezca una respuesta directa sobre cuáles eran las
elecciones adecuadas. Este método nos permite que el estudiante tenga tres momentos para
entrenar y poner a prueba su estado cognitivo: cuando se enfrenta a la situación problémica y
discurre sobre su solución; cuando confronta sus ideas con las aclaraciones que se le brindan en la
correspondiente página y cuando tiene que auto evaluarse.
Conclusiones.
Con la elaboración y utilización en la red local de la facultad del sitio Web para la disciplina de Física
para la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica se ha dispuesto de un soporte
electrónico para la enseñanza y el aprendizaje de los contenidos de esta disciplina, superando las
dificultades que imponen la escasez de bibliografía con el enfoque pedagógico seguido en estos
cursos y con el nivel de profundidad adecuado y el rigor que se supone a un libro de Física para este
tipo de carrera.
La colecciones de situaciones problémicas y tareas de laboratorio contenidas en las bases de datos
presentadas, se encuentran en constante enriquecimiento, tanto en cantidad como por la vía de una
revisión constante dada por los resultados concretos obtenidos por los propios estudiantes en su
trabajo con ese sistema. Este enriquecimiento se refiere también a la adaptación de las situaciones
problémicas a la zona de desarrollo próximo de los estudiantes en cada cohorte, equipo e
individualidad.
Los resultados en cuanto a espíritu de colectivismo real fraguado desde el esfuerzo intelectual y de
crecimiento en la preparación para la profesión y a la vez el grado de responsabilidad individual por
el estado cognitivo de cada cual son realmente alentadores.
Desde el punto de vista del dominio de los contenidos y los métodos de la disciplina, los resultados
han sido superiores a los tradicionales pues los estudiantes han desarrollado habilidades para la
construcción de hipótesis de trabajo que han de ser corroboradas a partir de sus conocimientos y
sus acciones y eso con la contribución colectiva del equipo.
En lo relacionado con el entrenador INTERFER, su uso les permitió a los estudiantes no solo
responder a preguntas, sino que además los momentos de aprendizaje se vieron multiplicados.
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