Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica

1985 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Teaching experiment about Dynamics I (Newton’s laws): a theoretical-practical innovative proposal Mª Carmen López Santos ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8782-7331 Universidad de Sevilla Departamento de Física Aplicada I [email protected] DOI: http://dx.doi.org/10.12795/9788447222865.113 Pp.: 1985-2001 1986 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Resumen Se describe aquí una propuesta de ciclo de mejora en el aula para la asignatura de Física I de primer curso del Grado en Ingeniería Química Industrial de la Universidad de Sevilla, centrado en la docencia del tema de Dinámica I: Leyes de Newton. El trabajo en el diseño de contenidos, tareas metodológicas y herramientas de evaluación del nivel de aprendizaje alcanzado se ha inspirado en la aplicación del método científico-deductivo, basado en pautas de investigación docente. Para ello se ha intentado involucrar activamente al alumnado haciéndolo consciente de sus ideas previas y enfrentándolo a actividades de contraste antes y después de recibir información en el formato típico de lección magistral, cuya frecuencia se ha pretendido minimizar. Además, se han incorporado al ciclo de mejora las sesiones prácticas de laboratorio, que se integran temporalmente con las de teoría intentando coordinar y armonizar la metodología. Palabras clave: Física I, grado en ingeniería química industrial, docencia universitaria, experimentación docente universitaria. Abstract A proposal for a teaching improvement cycle is described here for the Physics I subject of the first course of the Degree in Industrial Chemical Engineering at the University of Seville, focused on the Dynamics I: Newton’s laws subject. Work on the design of contents, methodological tasks and evaluation tools of the achieved learning level has been inspired by the application of the scientific-deductive method, based on teaching research guidelines. For this purpose, an attempt has been made to actively involve the students, making them aware of their previous ideas and confronting them with contrasting activities before and after receiving information in the typical lecture format, the frequency of which has been tried to minimize. In addition, practical laboratory sessions have been incorporated into the cycle, which are temporarily integrated with the theory ones trying to coordinate and harmonize the methodology. Keywords: Physics I, degree in industrial chemical engineering, university teaching, university teaching experimentation. 1987 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Introducción Este ensayo de innovación docente se ha realizado en la asignatura de Física I para un grupo docente del Grado en Ingeniería Química Industrial de la Universidad de Sevilla. Se trata de una asignatura de primer curso y cuatrimestral, con 5 créditos teóricos para 8 temas y 1 crédito de prácticas para 5 sesiones de laboratorio. La evaluación de convocatoria está consensuada con los otros grupos docentes mediante la realización de exámenes escritos y la redacción de informes técnicos. Se cuenta con 72 alumnos matriculados, siendo el 70 % es de nuevo ingreso. Se debe hacer notar que la mayoría de ellos no trae formación en las materias de física y matemáticas desde su especialidad propia de bachillerato. Además, la docencia recupera la presencialidad después de los confinamientos por COVID, con las pertinentes medidas de seguridad, como la obligatoriedad del uso de la mascarilla quirúrgica. El Ciclo de Mejora en el Aula (CIMA) (Delord, Hamed y otros) se ha aplicado durante 4 sesiones de 60 min de clases teóricas en un aula con tarima para el profesor y bancos continuos distribuidos en gradas y 2 sesiones de 120 min de prácticas en un laboratorio equipado con 5 bancos de dos puestos cada uno más otro banco con 5 puestos con equipamiento informático. La capacidad del laboratorio se restringe a subgrupos de 10 alumnos, mientras que la presencialidad en las clases teóricas suele ser alrededor de unos 40 alumnos. La secuencia temporal ha consistido en una primera sesión de prácticas, seguida de 3 sesiones de teoría, una segunda sesión de prácticas y una última sesión teórica. Diseño previo del CIMA Dado que por la propia naturaleza de esta asignatura, los contenidos se trabajan recurriendo a multitud y muy variados problemas fundamentados en situaciones cotidianas, fenómenos que ocurren en el entorno o aplicaciones tecnológicas, el modelo metodológico comúnmente empleado para la docencia de Física General se basa en el formato clásico de docencia conocido como lección magistral, donde el alumno es un sujeto pasivo en clase e idealmente activo fuera de ella. Cuando la implicación del alumno es la adecuada, este método suele propiciar resultados razonables en el corto plazo en el que se es responsable del aprendizaje y de su evaluación (Bain, 2007). Contando con un proyecto docente consensuado con otros grupos, otras asignaturas y otros cursos de un grado tan aplicado como este, la metodología previa, con muchos rasgos comunes a otras anteriormente sometidas a ciclos de mejora (Álvarez, 2020; Martínez, 2018), ha consistido en el esquema de la figura 1 a). 1988 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Figura 1. a) Modelo metodológico inicial y b) modelo metodológico propuesto para el CIMA. Con este sistema se perseguía una breve contextualización que despertara un mínimo de interés del alumnado para pasar al bloque de contenido teórico y resolución de problemas, recapitulando con una pequeña síntesis las ideas más importantes. No obstante, el alumnado se acomoda fácil y rápidamente a no realizar los trabajos programados y a que estos se resuelvan en común durante la clase, sin síntomas de retomarlos hasta el momento del examen. Por otra parte, a los estudiantes les resulta complicado encontrar una correlación entre los contenidos teóricos y su aplicación en el laboratorio. La organización de las prácticas consta de dos seminarios sobre el buen hacer en un experimento físico y tres experiencias vinculadas a los contenidos. Sin embargo, la división en subgrupos hace que algunos tengan un desfase de un par de semanas cuando acuden al laboratorio, desde el momento en el que se trabajó el contenido teórico en clase, poniendo de manifiesto lo liviano y circunstancial de lo aprendido. Mapa de contenidos y problemas claves El intencionado diseño del CIMA plantea cuatro problemas globales recogidos en el mapa de contenidos de la figura 2, que tienen que ver con conocer el origen del movimiento o de su cambio, saber qué ocurre en la naturaleza que implique una acción, cuestionar si se puede predecir y formular matemáticamente el efecto de una fuerza y plantearse cómo medir 1989 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) una magnitud física: la fuerza que siente o ejerce un objeto o aquellas relacionadas con el movimiento del objeto. En propuestas de CIMA anteriores (Martínez, 2018) para el mismo contenido conceptual, aunque aplicado a otro grado, se abordó como uno de los problemas centrales la metodología de resolución de problemas. En su lugar, la presente propuesta apuesta por la inclusión de las prácticas de laboratorio con los conceptos. Los contenidos relacionados con el primer problema abarcan el concepto de fuerza como causa de movimiento o deformación de los cuerpos y cómo se relacionan (con qué intensidad) a través de una propiedad de los cuerpos: la masa. Este primer problema se relaciona con los otros tres para describir los tipos de interacciones fundamentales en la naturaleza en función de la distancia de aplicación, la formulación matemática de las tres leyes de Newton y su rango de validez para predecir resultados en el contexto de sistemas de referencia inerciales, para acabar con la estimación de la validez de la cuantificación experimental de un fenómeno físico. Entre los vínculos de estos contenidos conceptuales se pretenden trabajar otros actitudinales como el manejo de información fiable, la curiosidad y la reflexión, así como otros de corte procedimental de aplicación directa en las sesiones de laboratorio que además arrastren pautas de organización, autonomía, trabajo en equipo y análisis crítico de los resultados. Modelo metodológico posible Con el objeto de involucrar activamente a los alumnos en el proceso de aprendizaje, el modelo metodológico se ha modificado (figura 1 b) bajo la inspiración del método científico (Bain, 2007), para reforzar las actividades donde el alumno sea responsable, consciente o inconscientemente, de la construcción del conocimiento sobre la relación causa-efecto entre la fuerza y el movimiento. Para ello se han incluido actividades de hipótesis, contraste y refuerzo de los fundamentos físicos teóricos (búsqueda de información) con puestas en común supervisadas por el docente. La secuencia temporal supone sacrificar gran parte de la dedicación a explicaciones teóricas y, sobre todo, a la resolución de problemas en clase. El otro punto importante consiste en trasladar la misma metodología al desarrollo de las prácticas de laboratorio, incluyendo actividades exploratorias, debates y puestas en común. El problema inicial y el resumen final se han replanteado buscando que los alumnos sean más partícipes y (auto) críticos. Finalmente, se ha intentado innovar en clase y en el laboratorio experimentando con talleres conceptuales (Finkel, 2008), donde realmente el alumno investigue en equipo y aplique el método deductivo como herramienta de aprendizaje. 1990 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Figura 2. Mapa de contenidos. 1991 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Secuencias de actividades En la tabla 1 se especifican las actividades planificadas para la aplicación del CIMA, detallando la fase del modelo metodológico posible, la duración y unas ideas básicas del desarrollo previsto. Como recursos generales necesarios se han tenido en cuenta la disponibilidad de pizarra, proyector, pantalla y pc, conexión a internet y papel. Tabla 1. Secuencia de actividades Actividad (duración-min) Fase metodológica Desarrollo Evaluación de ideas previas (10) Planteamiento del problema Cuestionario anónimo de ideas previas sobre los problemas clave: causa del cambio en el movimiento, fuerza y masa, leyes de Newton y la medida experimental Caso particular (5) Planteamiento del problema Visualización del vídeo de dos coches en movimiento y posterior colisión Debate en común (10) Hipótesis Debate dirigido con cuestiones del tipo: ¿qué se está observando? ¿cómo es este movimiento? ¿hasta cuándo? ¿por qué se para? ¿se podría volver a poner en marcha? Y anotación de razonamientos previos Explicación de fuerza (15) Búsqueda de información Definición de fuerza como magnitud física vectorial, relación con magnitudes cinemáticas; representación gráfica; ejemplos y nuevas cuestiones: ¿por qué algunos objetos aceleran con velocidades mayores que otros? ¿por qué no levita un plato colocado sobre una mesa? Caso particular (10) Actividad de contraste Visualización de un vídeo con cuatro experimentos sobre la aplicación de una fuerza y sus consecuencias Debate en común (10) Hipótesis Debate dirigido con cuestiones: ¿qué tienen en común? ¿y cuáles son las diferencias? Anotación de ideas 1ª Ley de Newton (15) Búsqueda de información Explicación de inercia, sistema inercial y fuerza como interacción para producir cambios en el movimiento Experimento virtual de un proyectil (10) Planteamiento de un problema y actividad de contraste Visualización de un vídeo de JoVE con el experimento del movimiento de un proyectil para que los alumnos realicen los cálculos y comparen con el resultado experimental 2ª Ley de Newton (10) Búsqueda de información Explicación de la relación entre fuerza, masa y aceleración con ejemplos; presentación de las unidades y escalas de dimensión correspondientes El peso (5) Actividad de contraste Ejemplo de un movimiento vertical sometido a la aceleración de la gravedad por la fuerza peso 1992 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Actividad (duración-min) Fase metodológica Desarrollo Diferencia entre masa y peso (5) Actividad de refuerzo Escucha del fragmento de la canción «Todo de ti» de Rauw Alejandro para debatir la validez de la frase «no hay gravedad que me pueda elevar»; cuestiones: ¿cuánto cuesta elevar una bola en la Tierra o en la Luna?; concluir con los conceptos de ingravidez y peso aparente Taller conceptual de la 3ª Ley de Newton (60) Búsqueda de información Planteamiento de cuatro cuestiones secuenciales para trabajar en grupos: 1) desplazamiento sobre una silla con ruedas sin apoyo de los pies; 2) desplazamiento de un astronauta en la estación espacial internacional sin tocar las paredes; 3) despegue de un cohete en campo abierto o recinto cerrado; 4) desplazamiento sobre una silla de ruedas sin apoyo de los pies con un compañero en la misma situación; puesta en común y formulación Caso particular (5) Planteamiento de un problema Visualización de cuatro imágenes y cuestiones: ¿diferencias y origen entre montaña rusa, tarjeta de crédito, molécula de agua y energía en el Sol? Fuerzas fundamentales (10) Búsqueda de información Descripción de las interacciones gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil Boletín de problemas (20) Actividad de contraste Resolución en común a petición de los alumnos que previamente los hayan trabajado en casa Resumen (5) Conclusiones Sobre el primer caso particular y las ideas previas destacar los conceptos principales sobre la fuerza y las leyes de Newton Evaluación (10) Conclusiones Segunda vuelta del cuestionario de ideas previas para la evaluación del nivel de aprendizaje adquirido Caso particular (10) Planteamiento de un problema Imagen de 5 instrumentos de medida de longitud y cuestionar si se está respetando la recomendación de separación de seguridad de 1,2 m en el laboratorio Debate en común (20) Hipótesis Argumentación y valoración del rigor científico en sus respuestas; anotación de palabras clave sobre certeza y fuentes de error Identificación de instrumentos de medida (30) Actividad de contraste Reconocer para qué sirven y cómo se emplean; elección del adecuado según tamaño y distancia; medida de la distancia de seguridad entre ellos con su propio palmo; discusión de sus resultados; identificación de la medida indirecta de longitudes Teoría de incertidumbres en medidas directas (45) Búsqueda de información Explicación de fuentes de error y herramientas para valorar el grado de exactitud y de precisión al dar el resultado de un ensayo experimental La diana (10) Actividad de refuerzo Entrega individual de esquemas con cuatro dianas y para identificar los tiros precisos y/o exactos, con puesta en común 1993 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Actividad (duración-min) Fase metodológica Desarrollo Taller conceptual de propagación de errores (45) Actividad de contraste Por parejas y con una regla milimétrica y un calibre para 4 actividades secuenciales: 1) medir la longitud de un teléfono móvil, 2) valorar la incertidumbre cometida con la regla, 3) valorar la incertidumbre cometida con el calibre, 4) valorar la incertidumbre si se mide su volumen; puesta en común Teoría de incertidumbres en medidas indirectas (10) Búsqueda de información Explicación de los recursos matemáticos para estimar incertidumbres en magnitudes que dependen de otras que sí se pueden medir directamente Presentación de resultados (10) Planteamiento de un problema Discusión de dos ejemplos de presentación de resultados: cifras significativas, unidades y notación científica Redondeo (10) Actividad de contraste Resolución y justificación en común de 8 ejemplos de aplicación Taller conceptual sobre representación gráfica (35) Actividad de contraste por parejas se enfrentan a 4 cuestiones secuenciales: 1) calcular la velocidad y su incertidumbre de un móvil si 8 personas miden el tiempo de recorrido al final del trayecto, 2) calcular la velocidad y su incertidumbre para un coche si las 8 personas se reparten por el trayecto, 3) sobre una representación gráfica, trazar la recta de mejor ajuste y la incertidumbre en la pendiente, 4) combinar 2) y 3) para obtener velocidad e incertidumbre; puesta en común Regresión lineal (5) Búsqueda de información Explicación de una hoja de cálculo para el ajuste lineal por el método de los mínimos cuadrados para el ejemplo de un muelle Cómo no hacer una representación gráfica Actividad de contraste Presentación de una representación gráfica de medidas de masa en balanza para discutir características inapropiadas y contraste con una representación útil Resumen Conclusiones Síntesis común de los rasgos principales para realizar una medida y valorar su bondad y grado de confianza Cuestionario inicial-final El sondeo de las ideas previas de los alumnos sobre la dinámica, las leyes de Newton y la realización de medidas experimentales para valorar la presencia de errores conceptuales y el grado de profundidad se ha realizado con un cuestionario anónimo que les enfrentara a razonar sobre los problemas básicos del mapa de contenidos: 2000 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) recurrían a formalismos físicos. En el punto medio, si bien es cierto que el papel del alumno en las clases magistrales es pasivo durante las sesiones teóricas y activo, aunque poco motivado, para trabajar desde casa en los problemas, su integración con elementos innovadores como pequeños talleres conceptuales (Finkel, 2008), tanto en el apartado de teoría como en el de laboratorio, podría llevar a un punto medio provechoso. De la nueva metodología interesaría mantener aquellos aspectos que han servido para tener una mayor interactividad con los alumnos, propiciar la oportunidad de pararse a pensar y preguntarse cosas y un mejor seguimiento del proceso de aprendizaje. En cuanto a aspectos actitudinales, los alumnos han trabajado más cómodos en parejas que participando en puestas en común con el grupo completo, cuestión que habría que trabajar para que sean responsables y conscientes de su propio aprendizaje (Bain, 2007). Aspectos a incorporar a la docencia habitual En mi práctica docente relajaría la ambición por cambiar, probar y experimentar una metodología más deductiva para combinarla con actividades de construcción del conocimiento sobre una base previa que partiera necesariamente de la acción del profesor. En particular, la actividad de apertura respecto a un problema inicial y las tareas de contraste sobre casos concretos, donde se comparen fenómenos con tiempo suficiente para pensar, expresarse y comparar, previo conocimiento de la formulación física y matemática, son algo que llega para quedarse. No obstante, algunas de las propuestas metodológicas han generado cierto estrés en los estudiantes y/o poco interés. Esto supone un mayor y mejor esfuerzo en su diseño para encontrar y proponer motivaciones necesarias para que los estudiantes estén receptivos a trabajar y enfrentarse solos a resolver problemas. Esto permitiría dedicar más tiempo en clase a los ejercicios de contraste. Es cuestión de práctica el que consigan reconocer la información de un enunciado y elegir el recurso físico adecuado para hacer cálculos sobre cualquier situación del entorno. En definitiva, esto es parte de las competencias que deberían adquirir dado el actual sistema de calificación. Por eso mismo parece ineludible el aliciente cuantitativo y calificativo como estímulo. Por otro lado, el cuestionario de ideas previas es un buen ejercicio de diagnóstico y la programación de la puesta en común en su segunda vuelta podría servir para tomar conciencia de qué se hubiera esperado del conocimiento adquirido, al igual que las herramientas de evaluación del contenido, la metodología y el profesor como guías de mejora (Rivero y Porlán, 2017). Además, el mapa de contenidos es otra actividad que da juego no solo para mostrar a los alumnos las relaciones entre conceptos si no como prueba de autoevaluación para que ellos mismos 2001 Experimento docente sobre Dinámica I (Leyes de Newton): una propuesta de innovación teórico-práctica Mª Carmen López Santos Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) las establezcan. Finalmente, el taller conceptual (Finkel, 2008) es una propuesta avalada por los resultados, digna de ser integrada. Principios Docentes argumentados Uno de los principios didácticos de integración sencilla en la enseñanza de Física es la relación de los contenidos con el entorno vital de los estudiantes tirando de ejemplos cotidianos y situaciones hipotéticas (Bain, 2007) que pueden explicarse y predecirse. Igualmente resulta adecuado trabajar en torno a problemas relevantes desde el punto de vista del conocimiento, de la sociedad y de la generación estudiantil como para invertir tiempo en plantear, contrastar, intentar resolver y promover la construcción de conocimientos más complejos. Además, es fundamental establecer relaciones, no solo entre los contenidos conceptuales de un mismo bloque sino persiguiendo la transversalidad con otras unidades temáticas e incluso otras materias. Otro principio docente concebido en este CIMA es el fomentar la capacidad de comunicación de los estudiantes, de procurar espacios para dar voz a los alumnos de forma continuada y de sintetizar las ideas relevantes. Los ejercicios de sondeo de conocimientos previos permiten contextualizar y adaptar la metodología con espíritu de atención a la diversidad (Bain, 2007) así como evaluar la progresión y el éxito en el aprendizaje. Por último, la actitud del docente debería ser esencial si hay intención de educar en valores, de ejercer e inspirar con el ejemplo en motivación, organización, honestidad, responsabilidad, rigor, comunicación y sana convivencia. Referencias bibliográficas Álvarez, R. (2020). Una metodología investigativa para enseñar Magnetostática. En E. Navarro y R. Porlán (Coords.), Ciclos de mejora en el aula año 2019. Experiencias de innovación docente de la Universidad de Sevilla (pp. 42-64). Editorial de la Universidad de Sevilla. Bain, K. (2007). Lo que hacen los mejores profesores universitarios. Publicacions de la Universitat de València. Delord, G.; Hamed, S.; Porlán, R. y De Alba, N. (2020). Los Ciclos de Mejora en el Aula. En N. De Alba y R. Porlán (Coords.), Docentes universitarios. Una formación centrada en la práctica (pp. 128-162). Ediciones Morata. Finkel, D. (2008). Dar clase con la boca cerrada. Publicaciones de la Universitat de València. Martínez, A. (2018). Aplicación de un Ciclo de Mejora Docente en «Dinámica de la Partícula». Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado, 1, 1135-1152. DOI: 10.12795/JDU.2018.i01.64. Rivero, A. y Porlán, R. (2017) La evaluación en la enseñanza universitaria. En R. Porlán (Coord.), Enseñanza universitaria. Cómo mejorarla (pp. 73-91). Ediciones Morata.