el concepto de masa en f

IMPLEMENTACIÓN Y EVALUACIÓN DEL LABORATORIO VIRTUAL
EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA, CASO DE ESTUDIO: EL
CONCEPTO DE MASA EN FÍSICA CLÁSICA
Miguel A. Réa,b, María F. Giubergiaa y Lucía E. Arenab
a
Facultad Regional Córdoba – Universidad Tecnológica Nacional
Maestro López y Cruz Roja Argentina
Ciudad Universitaria
5010 Córdoba, Argentina
b
Facultad de Matemática, Astronomía y Física – Universidad Nacional de Córdoba
Haya de la Torre y Medina Allende
Ciudad Universitaria
5010 Córdoba, Argentina
Resumen. Existen diferentes posturas acerca de la efectividad y eficiencia del uso de los laboratorios virtuales basados
en simulación (LVBS) en el proceso de enseñanza-aprendizaje de la Física. Por una parte se argumenta la necesidad del
contacto directo con el equipo de laboratorio y la posibilidad de influir en el diseño experimental. Por la otra parte,
además de criterios económicos en cuanto a tiempo y recursos, se argumenta que se obtienen mejores resultados en la
comprensión de conceptos. El principio considerado en el presente trabajo es que los LVBS cooperan con los
procedimientos didácticos tradicionales de enseñanza, complementándolos sin suplantarlos. La posibilidad de interactuar
con experimentos virtuales abre un campo muy amplio al diseño y a la modelación experimental. En esta comunicación
presentamos un diseño de laboratorio virtual para abordar el problema de la definición operativa de masa inercial, un
concepto central en Física. A los fines de la experiencia se adaptó un programa de simulación (del proyecto Physlets)
desarrollado en JavaScript. El diseño se complementa con una guía de actividades para orientar el trabajo del alumno. Se
evaluó el aprendizaje logrado por los alumnos a partir de cuestionarios previo y posterior a la experiencia. Se incluyen los
resultados obtenidos.
Abstract. There exist different points of view about effectiveness and efficiency of using Simulation Based Virtual
Laboratories (SBVL) in the teaching and learnig physics process. On the one hand it is argued the necessity of having
contact with the laboratory equipment and the possibility of modifying the experimental design. On the other hand,
besides of economic and resources criteria, it is argued that better results are obtained when comparing conceptual
comprehension. The position sustained in this work is that SBVL cooperate with traditional didactic procedures,
complementing without substituting them. The possibility of interacting with virtual experiments gives new perspectives
for design and experimental modeling. In this communication we present a design for a SBVL to tackle an operative
definition of inertial mass, a central concept in physics. According to the objectives of the experiment it was adapted a
simulation program (belonging to the Physlets project) developed in JAVAScript. The experimental design was
completed with a guide for the activity in the experiment prompting scheme. The experience was evaluated through
inquiries before and after the experience. The results obtained are included.
Keywords: applets, virtual laboratories, simulations in physics, interactive learning.
PACS: 01.40.Fk, 01.50.ht, 01.50.hv
INTRODUCCIÓN
Desde la aparición de la microcomputadora, investigadores y educadores han desarrollado, explorado y estudiado
métodos para usar computadoras en la enseñanza-aprendizaje de la Física [1]. Las nuevas tecnologías de la
información y la comunicación (TICs) han planteado nuevos desafíos. La Física es un área en que las posibilidades
que el uso de la computación ofrece para el desarrollo de nuevos métodos de enseñanza están en constante
exploración. En particular esta herramienta permite redefinir el carácter de los experimentos de laboratorio con
nuevas ventajas y desventajas [2,3], en especial para enseñar ciencias fácticas como la Física. Así encontramos que a
los trabajos prácticos de laboratorio tradicionales (TPLT), se agregan nuevas alternativas basadas en el uso de
computadoras:
a) asistidos por computadora (TPLAC): donde los ordenadores cumplen tanto el rol de instrumento de medición
como de sistema de análisis de datos.
b) remotos (TPLR): las computadoras permiten conectarse en forma remota con los instrumentos de medición.
c) laboratorios virtuales basados en simulación (LVBS): en un programa de simulación se rescatan los aspectos
esenciales de un fenómeno o proceso.
d) simulaciones en computadora: se permite gran libertad en la formulación de modelos analizando las
consecuencias de las distintas alternativas.
Cada una de estas formas de abordar el trabajo experimental refleja una metodología importante para el avance
en el desarrollo de las ciencias y la técnica, en su campo específico. Es importante que estas técnicas sean también
incluídas en el proceso de enseñanza y aprendizaje. En el caso de los LVBS, que se estudian en este trabajo, proveen
un entorno de ensayo más simple que el del laboratorio tradicional.
El abordaje de la Física, como ciencia fáctica, requiere del estudio experimental de fenómenos y procesos que
son los que fundamentarán los conceptos. Claramente las simulaciones por computadora son aplicaciones de
especial interés para enseñar Física porque ellas pueden soportar fuertemente modelos de contorno que involucran
conceptos y procesos físicos [4].
En experiencias preliminares realizadas con LVBS, trabajando sobre los conceptos de masa inercial y
movimiento oscilatorio armónico, se han encontrado resultados muy favorables desde la perspectiva del docente
tales como que el laboratorio virtual es menos costoso en tiempo y requerimientos de infraestructura y permite
dedicar un importante tiempo al análisis de resultados finales. Este tipo de estudio puede verse dificultado con las
metodologías tradicionales: por el cálculo o el análisis matemático complejo en los trabajos prácticos de lápiz y
papel. Cabe mencionar además el equipamiento en general insuficiente en los laboratorios de enseñanza para los
cursos de física general en carreras de ingeniería .
Además para los alumnos resulta altamente motivador poder confrontar sus conocimientos teóricos a partir de
una tecnología que les es muy conocida y de uso diario y que está a medio camino entre lo puramente experimental
y la ejercitación en problemas de lápiz y papel.
En la próxima sección describimos brevemente el problema a tratar y los resultados obtenidos desde la
perspectiva de la comprensión de los conceptos por parte de los estudiantes.
El LVBS se diseñó siguiendo los lineamientos generales del proyecto marco en que se ha desarrollado y se
describe a continuación.
Finalmente presentamos los resultados obtenidos en la realización de la experiencia a partir de cuestionarios
presentados a los estudiantes antes y después de realizado el trabajo práctico.
EL CONCEPTO DE MASA INERCIAL
El concepto de masa inercial es fundamental en la Física, aunque de difícil comprensión por parte de los
estudiantes. En estudios realizados sobre las concepciones de los estudiantes Doménech et al. [5] identifican una
visión cualitativa-teleológica del concepto en contraposición a definiciones cuantitativa-formales más ortodoxas
propias de la disciplina científica. Claramente su definición o sus definiciones pueden o no facilitar el abordaje en el
proceso de enseñanza–aprendizaje.
En la formulación Newtoniana de la mecánica podemos reconocer en principio tres definiciones asociadas con el
concepto de masa:
1. Masa como cantidad de materia.
2. Masa como medida de la inercia de un sistema.
3. Masa como constante en la ley de interacción gravitatoria.
Estas definiciones han sido criticadas en particular por Ernst Mach [6], proponiendo un enfoque operacional
extremo para la formulación de la mecánica. Si bien este enfoque ha sido criticado desde una perspectiva lógica y
metodológica [7], en el ámbito de la Física ha persistido lo que podríamos llamar un enfoque operacional moderado.
Desde esta perspectiva algunas magnitudes fundamentales se definen a partir del proceso de medición es decir
mediante una definición operativa, pudiendo definirse otras magnitudes a partir de las primeras. El concepto
primario es el de medición y no el de magnitud física.
Además, esta definición deriva en una formulación superior de la mecánica [8], al considerar la presentación de
la dinámica a continuación de la cinemática. Encontramos, por otra parte, que las definiciones operacionales
presentan gran interés didáctico al poner de relieve el carácter métrico de los conceptos físicos.
TRABAJO PRÁCTICO DE SIMULACIÓN
Existe una importante oferta de software y de gran variedad [1] para laboratorios virtuales para diversas
disciplinas científicas y en particular para ciencias fácticas como la Física. Para el trabajo práctico presentado aquí
se modificó un programa del proyecto Physlets (webphysics.Davidson.edu/applets/applets.html) [9] y se
confeccionó la guía de actividades correspondiente. La selección del software se ha basado en su compatibilidad con
la formulación del problema en consideración y su resolución desde una postura constructivista. También se ha
tomado en consideración para su diseño la perspectiva de una conexión interactiva del estudiante (interactive
engagement).
Aspectos Didáctico-Pedagógicos
Desde una perspectiva clásica de la trilogía alumno, docente, contenido, el uso de los LVBS como apoyo
didáctico tienen un importante número de beneficios. Algunos de ellos se detallan en la Tabla 1: fundamentalmente
apuntan al menor costo en infraestructura y tiempo y a la versatilidad para el diseño y adecuación de las prácticas.
Por otro lado una de las dificultades más notables consiste en lo que llamaremos reduccionismo de las prácticas
experimentales de laboratorio a las simuladas. Debe siempre considerarse que los LVBS son un soporte alternativo,
motivador y versátil para apoyar el aspecto experimental de las ciencias fácticas. Como dificultades destacamos,
entre otras, que no permiten desarrollar las habilidades y destrezas en el uso del instrumental de laboratorio aunque
facilitan el abordaje y aprendizaje de modelos y estructuras mentales.
favorables
Tabla I: ventajas y desventajas de los LVBS desde la perspectiva de la trilogía docente, alumno, contenido
Docente
Alumno
Objeto de estudio
El laboratorio virtual es menos
costoso en tiempo y requerimien-tos
de infraestructura
Los alumnos pueden modelar con
parámetros más fácilmente controlables
Son versátiles para el diseño de
prácticas constructivistas de resolución de problemas experimentales.
Resulta altamente motivador poder
confrontar sus conocimien-tos
teóricos a parir de una tecno-logía
que les es muy conocida y de uso
diario y que está a medio camino
entre lo puramente experimental y
la ejercitación en problemas de
lápiz y papel
Les permite repetir los experimentos y trabajar a distancia con
mayor interacción.º
Los fenómenos simulados, facilitan el diseño de situaciones problemáticas disciplinares en ciencias con dificultades en la obtención y el análisis de los datos
experimentales.
Pueden utilizarse como un paso
previo, en la etapa del diseño y la
conceptualización, a los TPLT
Desfavorables
Permite dedicar un importante tiempo
al análisis de resultados
Es necesario contar con personal
especializado para el diseño y/o la
adecuación del software
Existe el peligro de olvidar que se
simulan fenómenos de la naturaleza con variables controladas
Se pierden los aprendizajes vinculados a la puesta a punto del
equipamiento o el desarrollo de
habilidades y destrezas del uso
del instrumental de laboratorio en
los TPLE
Una situación habitual en el software disponible es la inclusión de gran cantidad de texto explicativo con el
objetivo de hacerlo autocontenido. En general el desarrollo de estos textos está en la línea de pasos guiados o diseño
instruccional (step guidance). Sin embargo esta esquema de trabajo no arroja los mejores resultados [10]. Por tanto
consideramos conveniente en general, y así procedimos en este caso, eliminar dicho texto y sustituirlo por una guía
de actividades en el esquema centrado en los medios [9], en que se plantea al estudiante la resolución de un
problema a través de la experimentación. En el apéndice A se adjunta la guía elaborada para la actividad. Si bien
existe disponible mucho software para implementar LVBS, no todo cumple necesariamente con las condiciones
propuestas que faciliten un tratamiento constructivista del tema de interés. Este es otro de los aspectos considerados
en el diseño de la guía de actividades.
El software fue sometido a diferentes modelos de evaluación con resultados muy favorables, tanto en la calidad
técnica, como en la educativa. En cuanto a lo educativo, aspectos como el contenido, la creatividad, las simulaciones
propiamente dichas, y los modelos subyacentes, y los objetivos fueron adecuados para favorecer la construcción de
los procesos y conceptos.
Adaptación del software
Una vez seleccionado el programa con el cual trabajar se procedió a su modificación para adaptarlo a los
objetivos perseguidos.
FIGURA 1. Pantalla de presentación para el LVBS diseñado para el tratamiento del concepto de masa inercial.
Técnicamente el software es sencillo, pero con gráficos claros y de fácil interpretación; desarrollados en
JavaScript que, dado que se ejecutan en una máquina virtual, pueden utilizarse desde cualquier programa de
navegación. Además el tiempo de respuesta es bueno permitiendo un trabajo interactivo sin mayores inconvenientes.
También permite la introducción de botones para la selección de opciones, lo que permitió modificar los modos de
ingreso de los valores para la realización de la experiencia.
Se eliminó el texto presente en el programa original, en el esquema de pasos guiados. Se incluyeron los botones
necesarios para la operación del programa desde el dispositivo de señalamiento y en una forma más simple.
La carga de masa en los carros se realiza de manera gráfica y se puede modificar en el transcurso de la
experiencia. Los valores de masa calibrados en la carga de los carros no se especifica al estudiante, debiendo este
determinar durante la realización del experimento las relaciones entre ellas (identificadas por distintos colores). Se
agregó además la generación de una masa incógnita (a partir de la generación de un número aleatorio). Se pide al
estudiante la determinación, a partir del dispositivo experimental virtual, del valor de esta masa en el sistema de
unidades que surge de la calibración efectuada en la primera etapa.
En la figura 1 se ilustra la pantalla inicial para el LVBS diseñado para la discusión de la definición operativa de
masa inercial.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El LVBS sobre masa inercial, se trabajó, en el curso de Física General I correspondiente al primer año de
estudios de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (Fa.M.A.F.) de la Universidad Nacional de Córdoba
(U.N.C.), en Córdoba, Argentina. Los alumnos que realizaron la experiencia son estudiantes de las carreras de
Licenciatura en Matemática, Licenciatura en Astronomía, Licenciatura en Física y Profesorado de Física. Estos
alumnos habían trabajado teórica y prácticamente (en clases de resolución de problemas) los conceptos de proceso
de medición, definición operativa de una magnitud y el de masa inercial, en el curso anterior (Introducción a la
Física).
El trabajo práctico se desarrolló en el Laboratorio de Computación, facilidad de uso común del Departamento
Universitario de Informática de la U.N.C. El programa está alojado en uno de los servidores de la Fa.M.A.F., en la
cuenta de uno de los autores (M. Ré), a cargo del dictado del curso. Al programa se accede desde un link en el curso
de Física General I, en la plataforma moodle de Fa.M.A.F. El programa de simulación se ejecuta dentro de un
programa de navegación (se han usado Internet Explorer y Mozilla Firefox). Los alumnos trabajaron en grupos de a
dos para favorecer la discusión entre ellos, bajo la supervisión del docente a cargo de los trabajos prácticos de la
materia. El trabajo de los alumnos se desarrolla en forma autónoma, con eventuales consultas al docente. El trabajo
está orientado por la guía de actividades confeccionada, que plantea los problemas a resolver experimentalmente
(Apéndice A). No se ha requerido estrategias didácticas especiales al docente a cargo, debiendo proceder como
habitualmente en el trabajo de laboratorio tradicional.
70
a n te s
después
60
Porcentual
50
40
30
20
10
0
1
2
3
FIGURA 2. Resultados de la evaluación de las encuestas previas y posteriores a la realización de la experiencia. Se comparan
los porcentajes de respuestas positivas para: 1- Concepto de masa inercial y definición operativa de una magnitud
2- Conocimiento procedimental
3- Concepto de calibración
Previa y simultáneamente con el desarrollo del práctico de simulación los alumnos trabajaron el concepto de
cantidad de movimiento en las clases teóricas. Se tomaron dos encuestas: una previa y otra inmediatamente posterior
al LVBS. Se analizaron además los informes de laboratorio que los alumnos debían presentar como cierre de la
actividad ( a completar en su casa). La encuesta utilizada se incluye en el apéndice B.
En la Figura 2 se muestran los resultados obtenidos para diferentes variables estudiadas.
Como se desprende de los valores obtenidos, se ha conseguido mejorar en términos porcentuales la comprensión
del concepto de masa inercial y su definición operativa.
CONCLUSIONES
Se ha presentado un diseño de laboratorio virtual basado en simulación (LVBS) para la definición operativa de
masa inercial. El diseño experimental reproduce propuestas tradicionales en la Física. La actividad se realizó con la
orientación de una guía de actividades elaborada en el modelo de incentivación de la experimentación (experiment
prompting) y el esquema de conexión interactiva (Interactive engagement).
El diseño fue ensayado con resultados satisfactorios en un primer curso de Física a nivel universitario. La
actividad se desarrolló en el Laboratorio de Computación bajo la supervisión del profesor a cargo de los trabajos
prácticos. Se evaluó el desempeño de los estudiantes a partir del informe de laboratorio que debían presentar (por
cada grupo de trabajo). Se realizó además una encuesta a los estudiantes (Apéndice B), cuyos resultados fueron
presentados en la sección anterior. Se tomaron en consideración también las opiniones de los estudiantes recogidas
como información agregada en las encuestas o en entrevistas informales. Surge como importante el hecho de que, a
pesar de la opinión generalizada que asigna una función motivadora “per se” a estos recursos, los estudiantes
manifiestan que la principal motivación ha sido la utilidad para la comprensión de aspectos que ellos mismos
consideraban como “difíciles”.
Los resultados obtenidos alientan la continuidad de este tipo de actividades a partir de la generación de nuevas
experiencias virtuales y la mejora de las ya desarrolladas.
APÉNDICE A: GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS
Ejercicio de simulación para determinación de masa inercial basado en una
colisión explosiva.
Para comenzar con la actividad ingrese en la página de proed (http://www.famaf.proed. unc.edu.ar/) al curso de
Física General I. Dentro de la sección de INFORMACIÓN GENERAL, ingrese al link indicado como “masa”. Una
vez en la página de simulación elija la opción 7.10: una colisión explosiva.
1- Reconocimiento de la página.
Utilice algunos minutos para familiarizarse con la página del programa. Podemos reconocer cinco sectores
importantes:
a) Inicializar carritos y habilitar botones
Mediante esta opción se da comienzo o se reinicia la ejecución del programa. Permite cargar los carritos con masas
calibradas en proporciones fijas. Los botones marcados con el símbolo “+” permiten cargar los carritos y los botones
con el símbolo “-” los descargan. Las masas asociadas a los diferentes colores mantienen una relación fija y cada
color corresponde a un valor distinto.
b) Masa aleatoria.
Permite agregar o quitar una masa de valor desconocido al carrito de la derecha. Esta opción será usada en la
segunda parte del ejercicio.
c) Gráficos – 1
Se representan los carritos que van a participar de la colisión explosiva. A ambos costados del dibujo se
encuentran los botones que permiten cargar o descargar los carritos con “masas calibradas”. Los colores
corresponden a distintos valores de masa que están en proporciones fijas.
d) Gráficos – 2
Se representan gráficamente los resultados de la simulación. La función que se grafica en función del tiempo
depende de la opción elegida en la línea inferior. En este práctico trabajaremos con la segunda opción: velocidad vs.
tiempo.
e) Línea de opciones.
Permite seleccionar la función a graficar en la simulación. Con el botón derecho del mouse ubicado sobre la
ventana gráfica puede transferir los resultados de la simulación a una ventana independiente en la que puede leer los
valores del registro. A tal fin aumente el tamaño de la ventana y posiciones el mouse en el punto cuyas coordenadas
quiere determinar. Oprimiendo cualquier botón del mouse puede leer las coordenadas en esquina inferior izquierda.
2- Ejercicio – primera parte: calibración del sistema.
a) ¿Son iguales las masas de los carritos? ¿Es simétrico el resultado de la simulación respecto del cambio de
carrito?
b) Determine la relación entre las masas disponibles (Roja, Azul, Verde, Amarilla y masa del carrito
descargado).
c) Elija su unidad de masa, asignando valores a las restantes.
3- Ejercicio – segunda parte: determinación del valor de una masa incógnita.
a) Agregue una masa incógnita al carrito de la derecha utilizando el botón “agregar” arriba del gráfico.
b) Cargue los carritos con las masas conocidas y simule un choque explosivo para determinar el valor de la
masa incógnita.
c) Puede reconfigurar el sistema con la opción de inicialización. Esto no modificará el valor de la masa
incógnita, lo que le permite ajustar los valores hasta conseguir la mejor configuración para la
determinación.
4- Ejercicio – tercera parte: determinación de la fuerza media de interacción explosiva.
a) A partir de una observación cualitativa de los gráficos que proporcionan las opciones: “momento lineal” y
“aceleración” en función del tiempo. ¿cuál de ellos permite estimar la fuerza de interacción?
b) Calcule la fuerza media que actúa en la explosión en al menos tres configuraciones de carga diferentes.
(sugerencia: puede utlizar la tecla “paso>>” para tomar las lecturas necesarias y/o leer las coordenadas en la ventana
gráfica).
Concluida la actividad confeccione un informe con los resultados obtenidos.
APÉNDICE B: ENCUESTA EFECTUADA A LOS ALUMNOS
Masa inercial
Preguntas previas al práctico de simulación
Las siguientes preguntas sólo tienen el objeto de evaluación didáctica de la clase, les rogamos cumplir con la consigna de trabajarlas
individualmente y en el tiempo establecido. Desde ya muchas gracias. Equipo de estudio de las TICs en la enseñanza de la Física
A- Responda sintéticamente a las siguientes consignas ( al dorso de la hoja)
1.
2.
¿Conoce el concepto de masa inercial? Describa brevemente
¿Recuerda en qué consiste una definición operativa? Si su respuesta es afirmativa, explique
B- Encierre en círculo el número de la/s afirmación/es correcta/s
3.
El experimento de choque explosivo para el estudio de masas inerciales, es un método experimental que
permite
a) comparar masas
b) determinar el valor de una masa inercial en forma absoluta, con sólo medir velocidades
4.
En el experimento simulado de choque explosivo,
i. el resultado de la determinación de la masa inercial depende fundamentalmente de la ley
de interacción entre los carritos al momento de separarse
ii.
se corrobora la conservación del momento lineal
5.
Es posible estudiar las masas inerciales realizando el experimento de choque explosivo sin contar con un
reloj. Fundamente su respuesta
Masa inercial
Preguntas posteriores al práctico de simulación
Las siguientes preguntas sólo tienen el objeto de evaluación didáctica de la clase, les rogamos cumplir con la
consigna de trabajarlas individualmente y en el tiempo establecido. Desde ya muchas gracias. Equipo de estudio de
las TICs en la enseñanza de la Física
A- Responda sintéticamente al dorso de la hoja
1.
¿Qué definición operativa de masa inercial conoce? Explique
B- Encierre en círculo el número de la/s afirmación/es correcta/s
2.
3.
En el experimento virtual de choque explosivo para el estudio de masas inerciales (con las condiciones
dadas por el simulador), es necesario
a. que las masas de los carritos sean iguales para determinarlas
b. conocer el valor unitario de las masas para corroborar la conservación del momento lineal
c. calibrar el sistema, eligiendo una masa unitaria como patrón, para determinar el valor de la masa
incógnita
d. estudiar la ley de interacción para corroborar la conservación del momento lineal
Es posible estudiar las masas inerciales realizando el experimento de choque explosivo en el laboratorio
con sólo medir distancias
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el financiamiento de este proyecto a través del PID UTI 970/1400 otorgado por la
Universidad Tecnológica Nacional.
REFERENCIAS
A.Cova, X. Arrieta and V. Riveros, Revista Venezolana de Información, Tecnología y Conocimiento 5, 45-67 (2008).
J. V. Nickerson, J. E. Corter, S. K. Esche and C. Chassapis, Computers and Education 49, 708-725 (2007).
S. Chen, Computers and Education 55, 1123-1130 (2010).
A. Jimoyiannis and V. Komis, Computers and Education 36, 183-204 (2001).
A. Doménech, Enseñanza De Las Ciencias, 10, 223 (1992).A.
A. Doménech, E. Casasús y M. T. Doménech, Internacional Journal of Science Education 15, 163-173 (1993).
6. E. Mach, The Science of Mechanics, traducción del alemán por T. J. McCormack, The Open Court Publishing Co., Chicago –
Londres (1919).
7. M. Bunge, Am. J. of Physics 34, 585-596 (1966).
8. E. A. Desloge, Am. J. of Physics 57, 704-706 (1988).
9. F. Esquembre, E. Martín, W. Christian y M. Belloni, Fislets, Enseñanza de la Física con material interactivo, Pearson,
Prentice Hall, España (2004).
10. K. Chang, Y. Chen, H. Lin y Y. Sung, Computers & Education 51, 1486 (2008).
1.
2.
3.
4.
5.
Artículo completo