Comprensión Newtoniana de la caída de cuerpos. Un estudio de su evolución en el Bachillerato

CO~IPRENSI~N NEWTONIANA DE LA CAIDA DE,CUERPOS. UN ESTUDIO DE SU EVOLUCION EN EL BACHILLERATO ACEVEDO DIAZ, J.A. I.B. Alonso Sánchez de Huelva. Huelva. SUMMARY In this paper we show the various interpretations of the fall of solid bodies under different situations given by Spanish High School students and stress the need for a Conceptual Change through the methodological and attitudinal change from a constructivist outlook upon learning. We also put forward some considerations on the results obtained with respect to the pupils' sex difference and the fact that they had chosen scientific or humanistic studies. La investigación didáctica de las interpretaciones de los estudiantes sobre los hechos científicos ha llevado a una concepción constructivista del aprendizaje (Driver 1988, Driver y Oldham 1986, Gil y Martínez Torregrosa 1987, Novak 1987, Strike 1987). Sin embargo, esta perspectiva, que es cada vez más mayoritaria, no está libre de críticas (Furió y Gil 1987), por lo que se hace imprescindible una amplia evaluación, cualitativa y cuantitativa, de las posibilidades que tiene una enseñanza de las ciencias con estas características, basada también en un cambio metodológico y actitudinal (Gil 1985, Gil y Carrascosa 1985), para intentar superar tanto las representaciones iniciales como la metodología de la superficialidad (Carrascosa y Gil 1985, Hashweh 1986). Dentro del marco teórico señalado, la mecánica es, sin duda, el área de la Física que ha recibido una mayor atención (Mc Dermott 1984), entre otras razones por la gran persistencia que presentan las concepciones de los escolares en este campo, con la consiguiente resistencia a ser cambiadas. Uno de los tópicos de dicho dominio de conocimiento, que tiene bastante interés debido a sus dificultades conceptuales, es el de la caída de cuerpos en diversas situaciones (Carrascosa 1987, Pozo 1987a, Mc Closkey 1983, Whitaker 1983), cuya transcedencia se ve ratificada por las polémicas que originó en la historia del pensamiento científico (Piaget y García 1981). En anteriores trabajos hemos analizado algunas de las dificultades, relacionadas con el pensamiento formal1 concreto, que tienen los estudiantes de 2Ve BUP para superar sus interpretaciones sobre fuerza y movimiento (Acevedo et al. 1987a y 1988), así como evaluado, para una pequeña muestra de sujetos, el grado y la permanencia del cambio conceptual logrado en función de un cambio metodológico en el trabajo de aula (Acevedo 1989). Este artículo pretende profundizar un poco más en esta dirección, mostrando cómo evolucionan las ideas de loslas alumnos/as sobre la caída de cuerpos, a través del Bachillerato, antes y un dilatado tiempo después de un curso diseñado con actividades de aprendizaje enmarcadas en la perspectiva constructivista señalada más arriba. HIPÓTESIS Y DISENO DE TRABAJO Las variables se han centrado en dos aspectos del sujeto que aprende: el grado de escolarización, incluyendo la diferenciación entre las opciones de Ciencias y Letras en el caso de COU, y su sexo. En relación con el tema y los planteamientos indicados se han formulado las siguientes hipótesis: 1. Las interpretaciones newtonianas de la caída de cuerpos serán prácticamente nulas en los cursos 1". 2" y COU (Letras), no existiendo diferencias significativas entre ellos. 2. Los estudiantes de 3"Ciencias) y COU (Ciencias) modifican sus concepciones de forma moderada en promedio, apareciendo interpretaciones acordes con el esquema conceptual newtoniano de manera que existirán diferencias relevantes a su favor en comparación con los de los otros cursos. 3. Entre los grupos de 3"Ciencias) y COU (Ciencias) las diferencias no serán importantes, ya que en la programación de la asignatura de Física y Química de 3Ve BUP no se ha incluido la mecánica de Newton. ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1989, 7 (3), 241-246 24 1 INVESTZGACIÓN Y EXPERIENCIAS DIDÁCTIC 4. Teniendo en cuenta que la muestra se refiere a adolescentes/jóvenes, existirán diferencias sensibles a favor de los alumnos frente a las alumnas (Mayer 1983). La muestra del estudio ha sido de 158 estudiantes de Bachillerato (76 alumnos y 82 alumnas), de clase socioeconómica medialmedia-baja en su inmensa mayoría, de l9 BUP, 2"UP, 3"UP (Ciencias), COU (Letras) y COU (Ciencias), escolarizados en Huelva. La tarea a resolver, que se pasó sin advertencia previa en los primeros días del curso 1988-89, con el fin de asegurar la no recepción de nuevas enseñanzas en el área considerada, consistió en una prueba abierta de papel y lápiz, con tres cuestiones, que no precisaban de la realización de cálculos, en las que hay que dibujar posicionesltrayectorias de móviles que caen, así como dar las explicaciones y aclaraciones verbales oportunas. Las preguntas han sido adaptadas de otros trabajos (Carrascosa 1987, Furió 1986, Pozo 1987a); haciendo referencia la primera de ellas a la caída de dos bolas de masas diferentes aunque de tamaños iguales. La segunda se centra en el movimiento de una canica que se desplaza rápidamente por una mesa y que, al llegar al extremo de la misma, cae al suelo. Finalmente, la última trata de la caída de un cuerpo pesado desde un avión que vuela paralelo al suelo, rectilíneamente y con velocidad uniforme. En una primera fase se analizaron las respuestas escritas, completándose las mismas pediante entrevistas con pequeños grupos de estudiantes que daban respuestas muy similares. Luego se elaboró una tipología de éstas que se refrendó con lo mostrado en la bibliografía. Se indentificaron las principales alternativas a la interpretación newtoniana, lo que permitió establecer unos criterios de puntuación que se utilizaron para asignar los diferentes niveles de comprensión de la mecánica de Newton en el ámbito de la caída de cuerpos. Asimismo se determinó el grado de relación entre las cuestiones propuestas, expresándolo por los correspondientes coeficientes de correlación. Por último, cabe decir que el contraste estadístico de las hipótesis se ha hecho mediante diseños paramétricos y no-paramétricos, según los casos. Por ejemplo, el estudio de las diferencias entre cursos suposo un ANOVA y las correspondientes pruebas "t-protegidas" o LSD de Fischer (Least Significant Difference). Las diferencias entre sexos se han contrastado a partir de las pruebas "ji-cuadrado" y "t-Student", según se analicen por niveles o por puntuaciones, respectivamente. En todos los casos se ha tomado como nivel de confianza para la significación estadística un mínimo del 95% (pi 0.05). DESCRIPCIÓN DE LOS TIPOS DE RESPUESTAS E IDEAS QUE SUBYACEN EN LAS MISMAS Más abajo se describen esquemáticamente las tipologías de respuestas para cada cuestión. Aunque los casos propuestos en las preguntas segunda y tercera son formalmente similares, la última resulta bastante más compleja, por lo que hay más tipos de respuestas que en la otra. No obstante, debe señalarse que casi la mitad de las respuestas encontradas presentan la misma interpretación en ambos supuestos. En el mismo sentido, cabe destacar que la correlación conjunta de la prueba es significativa (r= 0.49; p< 0.001), mostrándose en la tabla 1 las correlaciones entre las cuestiones tomadas dos a dos. Tabla 1 Correlaciones entre las cuestiones de la tarea. CUESTION 1 CUESTION 2 CUESTIOH 2 O. 29 CUESTION 3 O. 46(11) O. 61 (a) (a) P<O.OOi Cuestión 1" ~es~uestas con relación a la influencia de la masa de las bolas: 1 .A. La masa no influye en la caída, por lo que ambas bolas tardarán el mismo tiempo en caer. 1 .B. La bola de masa doble tarda la mitad de tiempo en caer; esto es, la masa es inversamente proporcional al tiempo de caída. 1 .C. No se indica ninguna relación cuantitativa, expresándose sólo que la bola de menor masa tardará más que la otra. Respuestas con relación a la ve1ocida.d de caída: 1.1. La velocidad va aumentando en la caída, por lo que en la primera mitad de tiempo las bolas se habrán desplazado menos de la mitad de la distancia. 1.2. Las bolas recorrerán la mitad del camino en la mitad de tiempo, la cuarta parte en un cuarto de tiempo, etc., lo que equivale a afirmar que la velocidad de caída es constante. Cuestión 2" Las respuestas encontradas son: 2.A. La caída es vertical, siendo la interpretación que la velocidad horizontal de la canica se anula en el momento en que empieza la velocidad vertical de caída. 2.B. La caída es en diagonal; es decir, la velocidad resultante es la composición de una velocidad horizontal y otra vertical, que permanecen constantes ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1989,7 (3) durante el descenso. Se ignora, por tanto, que la velocidad vertical va aumentando. 2.C. En la caída se describe una curva no parabólica, finalizando frecuentemente en un tramo vertical más o menos largo, según la velocidad que llevara la bolita al llegar al extremo de la mesa. La interpretación es que la velocidad horizontal se gasta del todolparcialmente, según fuera menorlmayor en el momento en que la canica inicia su caída. Por otra parte, la velocidad vertical podría aumentar o permanecer constante. 2.D. La trayectoria de la bolita en su caída es parabólica, permaneciendo constante la velocidad horizontal y aumentando uniformemente la vertical. Ambas componentes de la velocidad resultante son independientes. Cuestión 3" Además de las respuestas mostradas en la cuestión anterior, hay que añadir las siguientes: 3.A. La caída puede ser un poco hacia adelantelatrás según el viento; si no lo hay, la caída es vertical. 3.B. La caída es en diagonal, pero hacia atrás como consecuencia del "viento contrario" (reacción) que origina el "impulso" del avión hacia adelante (acción). 3.C. Se completa lo expresado en 2.D diciendo que el avión se encontrará en la vertical del lugar donde el objeto impacta con el suelo en el mismo instante en que esto ocurre. Existe, por tanto, comprensión de la relatividad del movimiento. Las principales ideas alternativas a la interpretación newtoniana, que fundamentan las respuestas erróneas descritas, se resumen en la tabla 11. Se indican también las frecuencias relativas de las mismas, expresadas en tanto por ciento, para los grupos de Ciencias (3" COU), para los Comunes (1" y2") y el de Letras (COU), asociados como "otros", y para el total de la muestra (T.M.). TABLA 11 Frecuencias relativas, expresadas porcentualmente, de las alternativas a Iu interpretación ne\vroni;in;i de In c:iíd;i de cuerpo\ 1 ALTBRWTIVAS CIBPCIAS OTROS TOTAL l l. D1ferent.i acciones .obr. un mO11l producen movimiento= .use.lvoi. 22 56 42 2. LO. do. movimientos del cuerpo que C.. no son indepindlsntis porque correaponden 1 dos o -S acolonci. 5U 83 89 3. Se considera la casa libre como SI la vel~oldad fuera conatante. 51 82 88 4. LOS ~uarpos es pesadDn oa-n -8 depr1.a qus los & minor misa. 38 88 b5 6. El movimiento r e1 reposo aon .atados absolutos cualitativ-nt. distintos. M 100 93 CRITERIOS PARA ASIGNAR LOS NIVELES Las dos primeras, de las cínco interpretaciones alternativas citadas anteriormente, se repiten en contextos diferentes (cuestiones segunda y tercera), por ello, como se ha dado un punto cada vez que se superaba cada alternativa, la puntuación máxima posible es siete. S610 a partir de los cuatro puntos puede considerarse que las respuestas newtonianas empiezan a darse en cierto grado, por lo cual se han establecido los siguientes niveles: a) Nuncalcasi nunca se dan interpretaciones newtonianas, siendo muy elementales las concepciones asociadas a las respuestas: nivel 1 (011 puntos). b) Las interpretaciones newtonianas aparecen raras veces o nunca, pero las respuestas se corresponden con ideas alternativas más complejas y evolucionadas que las del nivel anterior: nivel 11 (213 puntos). c)' Se alternan las respuestas newtonianas con otras que no lo son. El grado de comprensión del esquema conceptual es moderado: nivel 111 (415 puntos). d) Siemprelprácticamente siempre se dan interpretaciones newtonianas. La comprensión de la teoría de Newton es grande: nivel IV (617 puntos). RESUMEN DE RESULTADOS Los diversos contrastes estadísticos de la hipótesis propuesta permiten establecer lo siguiente: 1. Únicamente hay diferencias significativas (p <0.00 1) entre cualquiera de los cursos de ciencias y los demás. Este resultado permite hacer dos agrupaciones diferenciadas en la muestra: por una parte los grupos de Ciencias y, por otra, los Comunes y el de Letras. Para los/as de Ciencias, uno de cada tres sujetos se sitúa en el nivel 111, y uno de cada cinco en el nivel IV. Se confirman, pues, plenamente las tres primeras hipótesis formuladas. 2. En cuanto a la diferencia entre sexos, ésta es significativa (p<0.001) a favor de los estudiantes masculinos. De todos los grupos de varones, solamente los de 1" y2" son superados de manera significativa por los grupos femeninos de ciencias únicamente. En cambio, cualquier grupo de alumnas llega a ser superado significativamente por uno o más grupos de alumnos. De esta manera queda confirmada también la cuarta hipótesis. TABLA m Frecuencias relativas, expresadas porcentualmente, de alumnos y alumnas en los diferentes niveles asignados. COU-C cw-L 3-BUP-C 2-SUP 1-BUP ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1989, 7 (3) En la tabla 111 se muestran los porcentajes de estudiando et al. 1987 b, Benbow y Stanley 1980 y 1983, tes, diferenciados por cursos y sexos, que se sitúan en Erickson y Erickson 1984, Pattison y Gruieve 1984; cada uno de los niveles de comprensión del esquema Tourniaire y Pulos 1985). Una interpretación, frecuenconceptual newtoniano. temente esgrimida, es la de la hipótesis social sobre las diferencias educativas de los niños y las niñas, tanto en el ámbito escolar como en el familiar. lo aue. sin duda. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La adquisición comprensiva de la interpretación newtoniana de la caída de cuerpos resulta conceptualmente difícil, posiblemente por el carácter contraintuitivo de la misma teoría (Pozo 1987c, Pozo y Carretero 1987, Sebastiá 1987 a,b). Sin embargo, es alentador comprobar cómo una metodología adecuada, en 2"e BUP, puede permitir la obtención de resultados sustancialmente mejores, aunque moderados en promedio, para una buena parte de loslas alumnoslas de las opciones de Ciencias, permaneciendo las concepciones adecuadas hasta COU a pesar de no haberse incluido la mecánica en la programación de Física y Química de 3"e BUP. Es muy probable, también, que una profundización adecuada en dicha área de la Física, en COU, permita hacer más satisfactoria aún la situación mostrada, siempre que la metodología y las actitudes sean las adecuadas. Lo que reflejan los datos obtenidos supone una visión menos pesimista que la presentada en una buena parte de la bibliografía sobre el tema (Pozo 1987 a,b, Sebastiá 1984, 1985), siendo, por otra parte, concordantes con los aue algunos autores han mostrado cuando utilizan modelos de enseñanza-aprendizaje que pretendían el cambio conceptual a través del cambio metodológico (Acevedo 1989, Carrascosa 1987, Furió 1986, Hierrezuelo y Molina 1988). En cambio, es decepcionante, aunque no sorprendente, el bajo nivel de asimilación que tienen de la interpretación newtoniana los estudiantes de Letras de COU, a pesar de haber recibido la misma calidad y cantidad de enseñanza que los de Ciencias en las cuestiones aquí tratadas, por lo menos hasta el momento en que realizaron la prueba. Este pobre resultado parece resaltar la imporancia que, junto al cambio metodológico, presentan los aspectos actitudinalles relacionados con la motivación intrínseca en el aprendizaje, los cuales podrían estar relacionados a su vez con otros de carácter psicológico, sociocognitivo, educativo, etc., que no vamos a discutir aquí. Estos alumnos y alumnas permanecen en niveles similares a los que alcanzan los escolares de 1" de BUP, cuyas enseñanzas en mecánica toman como referencia básica los estudios de EGB. Por otra parte, los niveles más bajos de la población estudiantil femenina, en comparación con los de la masculina, coinciden con algunos otros datos que aparecen señalados en la literatura psicopedagógica sobre la enseñanza de las Matemáticas y de la Física (Aceveincide en el interés y las actitudes kciilas ciencias (Escudero 1985, Hardina 1985, Kelly 1986). Relacionado con la hipótesis anterior se encuentra el hecho, citado por Novak y Gowin (1984), de que las mujeres aceptan en mayor medida que los hombres los patrones de aprendizaje memorístico que caracterizan una buena parte del aprendizaje escolar, mientras que los segundos parecen usar más frecuentemente estrategias relacionadas con un aprendizaje más significativo, las cuales son imprescindibles para la comprensión conceptual y la resolución de problemas en aquellas materias que, como la Física y las Matemáticas, presentan una estructura organizativa de los conceptos fuertemente jerarquizada. Otra hipótesis a considerar podría ser también la mayor tendencia de las mujeres a guiarse por el pensamiento intuitivo, forma de actuación que, si bien puede ser positiva en ciertos momentos del aprendizaje, por ejemplo, en los inicios de la resolución de problemas, generalizada acríticamente puede llegar a constituir un verdadero obstáculo epistemológico para la adquisición/comprensión de conocimientos que, como las ideas de la mecánica de Newton, resultan escasamente intuitivos. En definitiva, más de trescientos años depués de la publicación de los Principia de Newton, continúa siendo un reto para los profesores de Física que los estudiantes se impregnen de las principales ideas del físico que revolucionó la Ciencia de la Mecánica. Aunque las causas son múltiples y complejas, sin embargo, la investigación en didáctica de las ciencias nos permite actualmente conocer mucho mejor algunas de la dificultades que tienen los escolares a la hora de comprender y asimilar el esquema conceptual newtoniano. También disponemos de algunas líneas prometedoras para la actuación en el aula, desde una perspectiva constructivista del proceso de enseñanza-aprendizaje, partiendo de las ideas que ya poseen los estudiantes, explicitándolas y tomándolas en consideración en la etapa de construcción de los conocimientos, a través de un cambio metodológico que favorezca actitudes de análisis y reflexión crítica de los trabajos prácticos, la resolución de problemas y, en general, las actividades de los/as alumnosJas, con una orientación plasmada en programas-guía para el aula. De esta manera, quizás resulte posible el cambio conceptual que debe perseguir la enseñanza de las ciencias, lo que en este caso significa que, de una vez por todas, Newton empiece a ser mejor y más ampliamente comprendido en nuestros Institutos de Bachillerato. ACEVEDO, J.A., 1989. Res permanens? Comunicación preACEVEDO, J.A., BOLÍVAR, J.P., L~PEZ-MOLINA, E.J. y sentada al 111 Congreso Intenacional sobre Investigación TRUJILLO, M., 1988. Sobre las concepciones en dinámica en la Didáctica de las Ciencias y de las Matemáticas. elemental de los adolescentes formales y concretos y el (Santiago de Compostela). cambio metodológico. Ensefianza de las Ciencias (e.p.) 244 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1989,7 (3) ACEVEDO, J.A., BOLÍVAR, J.P., SÁNCHEZ-LAULHE, E. y TRUJILLO, M., 1987a. Evolución de los esquemas conceptuales de dinámica en adolescentes formales y concretos.Actas V Jornadas de Estudio sobre la Investigación en la Escuela. (Sevilla), pp. 77-79. ACEVEDO, J.A. 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