miércoles, 7 de marzo de 2018

Simulaciones en el aula de secundaria para la enseñanza de ciencias naturales

I.E MUNICIPAL MONTESSORI
PITALITO-HUILA-COLOMBIA
CODIGO POSTAL 417030

En cuanto a la enseñanza de las ciencias naturales existen muchas propuestas de enseñanza  que  de cierta forma  buscan estimular  los aprendizajes significativos  y la competencia  cientifica la cual es  definida Domènech-Casal et al(2018)   como:
"La OCDE (2013) propone estructurar el desarrollo de la competencia científica en tres dimensiones, que pueden constituir un marco operativo para la evaluación y el diseño de actividades (Garrido y Simarro 2014). La dimensión conceptual comprende el dominio de conceptos y modelos científicos y su aplicación a contextos reales. La dimensión procedimental incluye las prácticas y habilidades de razonamiento científico en que se basa la investigación empírica. La dimensión epistémica trata el marco lógico y social en que se desarrollan las preguntas y teorías y la naturaleza de la ciencia. Si bien este marco de trabajo es una orientación útil para determinar qué aspectos deberíamos desarrollar para promover la competencia científica, el tipo de experiencias o actividades que llevan a ello es un tema más complejo".(p.2103-3).
en respuesta  a esto  muchos  investigadores de la pedagogia  y la didactica  han respondido con abundante literatura al respecto , en este escrito  que  no es totalmente exhaustivo , buscamos poner de manifiesto algunos autores  en español  sobre  el tema.Con respecto a lo anterior Velasco & Buteler(2017)  hacen  un buen inventario de algunas publicaciones  y las respectivas  revistas usando metodos bibliometricos  entre otros , este  trabajo  se puede considerar una puerta  a este maravilloso mundo en este orden  de ideas  tambien existen trabajos  como propuesto el por Rotge(2016)  en cual se vislumbra  una oferta basada  en elementos coloquiales tales  como copas de vino , brujulas  entre  otros  ademas se hace uso  de la computadora como herramienta de analisis  y visualizacion  mas  alla la sola busqueda de  informacion, este autor propone usar  hojas  de calculo para trabajar  en especial conceptos  fisicos  en tanto  que  otros  pedagogos  y cientificos del area  exploran  otras  formas  de estimular alguna  alguna  dimension de la competencia cientifica antes expuesta , como es el caso del tr5abajo elaborado por Chirino.Rodriguez&Rodriguez(2018)  donde se hace  un acercamiento al tema de la optica geometrica a traves de simulaciones y animaciones  disponibles en la red estos autores ademas hacen mirada sutil sobre el impacto de  la estrategia aplicada en ciertos grados . podriamos  adicionar a este compendio aquellos autores  que intentan enseñar la fisica  usando simulaciones verdaderas valiendose  de hojas de calculo y lenguajes de programacion tales  como python y octave. Para enunciar  algunos autores tales como Muñoz&Riveros  que en materia de el uso  del hoja  de calculo tienen un buen manejo e incluso  llegan a un nivel de diseñar unidades didacticas sobre las hoja de calculo  para ser trabajadas en clase las cuales son muy utiles para  los docentes noveles que desean  transformar la experiencia de aula  en algo significativo , destacan   unidades como  el MRUA , movimiento gravitacional, movimiento ascilatorio  , dinamica  y estatica entre otros cabe resaltar  el trabajo pionero de  algunos pedagogos  en el uso de la  hojas de calculo  para efecto de la enseñanza  y simulacion  en el aula tales como Evans(2000).
al observar  la gran cantidad trabajos  en  simulacion  notamos  un buena cantidad de ellos  estan dirigidos  a la  enseñanza de la fisica, lo que no quiere decir  que no exista material  para la enseñanza de la biologia , en adicion a lo anterior  es prudente resaltar  el trabajo  de Langendorf & Strode(2017)  quienes usaron  las  hojas de calculo para hacer una simulacion de la evolucion de poblacion  en este trabajo se nota  el uso del lenguaje VBA para lograr  los objetivos  a simular.
existen   trabajos  en lo  que los autores  proponen la utilizacion  de los smartphones  como herramienta  e instrumento de medicion  e laboratorio de fisico , en esta materia Gil & Di Laccio(2017) proponen el uso de llos dispositivos  moviles en adicion tambien diseñan 6 actividades o laboratorios abarcando tematicas  desde la cinematica a  la descomposicion radioactiva para lo cual en vista de la imposibilidad de trabajar  con elementos radioactivos  en el aula , proponen observar  el decaimiento de la espuma de la cerveza como se orienta textualmente  a continuacion:

"Decaimiento de la espuma de cerveza.
Sin importar la naturaleza del decaimiento radiactivo, su
característica principal es que es un proceso estadístico. La
descripción de este proceso se hace a través deResultado de imagen para desintegracion radiactiva formula
(7)
donde N o es el número de núcleos radiactivos de la muestra
en t=0, λ la constante de desintegración y N (t) la cantidad
de núcleos que quedan a tiempo t. El tiempo de vida media
puede obtenerse con:
        t1/2=Ln2/ Lambda

(8)
Estos conceptos que pueden parecernos sencillos no lo son
para nuestros alumnos y en el mejor de los casos logran
operar con las relaciones matemáticas, pero sin entender los
conceptos involucrados. En esta propuesta se presenta un
experimento para enseñanza media, de ágil implementación
y sin riesgos de exposición a fuentes radiactivas, que puede
ser usado como una analogía para el aprendizaje de la
desintegración radiactiva [11,12,13]. El smartphone se
incorpora como registro del proceso a través de su cámara
fotográfica y luego para obtener de las fotografías la altura
de la espuma con la aplicación Pantalla gobernante. Los
conceptos arriba descriptos les resultan más comprensibles
a nuestros alumnos si se tiene un puente entre los conceptos
abstractos de la desintegración radiactiva y el proceso de
aniquilación de las burbujas de la espuma de la cerveza, ese
puente podría ser este experimento".(p.1305-5)
en este misma linea de  trabajo  como deciamos anteriormente existen una gran  cantidad de literatura que  promueven  el uso  del smartphone  tanto como herramienta para captura de datos debido a la gran cantidad de sensores que vienen por defecto ,datos  que posteriormente pueden ser analizados y graficados  en el respectivo software o lenguaje de programacion tales como excel,libreofice calc, octave , python , matlab entre otros. otro ejemplo de estos trabajos  que usan los smartphone  como instrumentos de laboratorio lo aporta  el pedagogo Martinez-Perez(2015) que  hace una  comparacion entre dos grupos de mediciones con dos instrumentos de medida distintos  con el objetivo de obtener la aceleracion de la gravedad una hecha  con un acelerometro profesional TCI marca Samsung modelo GT-I9505 ademas de una aplicacion llamada Androsensor  en   el smartphone luego de hacerle   analisis estadisticos  a las medidas, concluyendo lo siguiente:
" el estudio cumplió con lo siguiente: a) se determinó el valor de la aceleración de gravedad g en el laboratorio de física del Instituto Universitario de Tecnología del Estado Bolívar, Venezuela, obteniéndose los siguientes valores: (i) g = (9,757 ± 0,003) m/s 2 para el sensor del teléfono celular inteligente y (ii) g = (9,8 ± 0,1) m/s 2 para la experiencia del péndulo simple, b) que el acelerómetro del TCI es válido y con precisión, y c) por los resultados obtenidos, se puede recomendar, con finalidad pedagógica, al sensor del TCI como un dispositivo para determinar la aceleración de gravedad g y usarlo para monitorear y evaluar vibraciones en las experiencias del laboratorio de Mecanica".(p.345)
en base  a lo anterior asumimos  que   un smartphone con acelerometro puede ser una  valiosa herramienta  para hacer mediciones  de  la aceleracion en aulas de secundaria, ademas de hacer al estudiante cada vez mas participe  de su propia formacion , motivandolo positivamente.sumando otros trabajos que tienen la misma  finalidad pero tambien se hacen extensivos  a la ciencias biologicas conviertiendo al smartphone  en miccroscopios de bolsillo nombramos  el trabajo hecho por Hergemöller &Laumann(2017)  que es una verdadera guia de trabajo y montaje de piezas diseñadas en 3d para el ensamblaje del microscopío  aunque  con fuertes conceptos fisicos subyacentes nos demuestra  una vez que la competencia  cientifica debe fundamentarse con enfoques trasndiciplinar.analogamente Di Laccio et al(2017) logro integrar  el smartphone en practicas  de efecto doppler  en aula , peracticas que pueden resultar  muy complejas  de implementar  si no se tienen los instrumentos nesesarios  sin embargo el autor logro  su proposito siguiendo la siguiente metodologia:
"El método propuesto aquí es el siguiente:
1. Se monta el dispositivo experimental de la figura 4, siendo conveniente que el péndulo tenga el mayor largo posible y se lo haga oscilar con una amplitud angular inicial grande (mayor de 45o), de modo de lograr la mayor velocidad relativa durante el pasaje por delante del micrófono del ordenador, y aumentar la variación de frecuencia del sonido respecto a la fuente. Los efectos de pandeo perpendicular al plano de oscilación pueden minimizarse con la rigidez de la barra y el poco roce del cojinete del eje del péndulo.
2. Se configuran los teléfonos para que uno realice la emisión de un tono puro (frecuencia elegida) y al mismo tiempo mida la velocidad angular del péndulo, y el otro grabe el sonido. Se configura el micrófono fijo al laboratorio para grabar la señal de audio con el ordenador.
3. Se inician las mediciones de forma sincronizada y se libera el péndulo para que comience a oscilar, dejando que realice varias oscilaciones antes de detener la recolección.
4. Se procesan los datos del experimento: se representa gráficamente ω(velocidad angular) z(t ) y de aquí se obtiene θ (t ) usando una hoja de cálculo. Las señales medidas se procesan para obtener, para cada señal, su espectro, es decir la f(t). En la obtención de f(t) hay que prestar atención al correcto uso del signo de la ecuación (12) dado que el signo de la velocidad angular en general
no acompaña el acercamiento/alejamiento.
5. Finalmente se comparan los valores medidos de fexp (t), con las predicciones teóricas, obtenidas por la ecuación (12), utilizando la velocidad del sonido, c , a la temperatura T del laboratorio. En nuestro caso, T=292 K (equivalente a 19 oC)".(p.641)

  Por otra parte  tambien existen propuestas  que no dejan de  ser  innovadoras  a pesar  de usar  pocos  elementos  o  elementos muy rudimentarios , como por  ejempo Balukovic,Slisko &Corona(2015) plantean un experimento para contextualizar el tema de la caida libre usando botellas PET , camaras , agua , lapiz  y papel , ellos  buscan  emplear  el video  de otra  forma  que no fuese  para divulgar  algo , entonces  ellos proponen lo siguiente para calcular la  velocidad inicial de  salida del agua por un orifico hecho en la base de una  botella PET con agua:
 "Para la discusión que viene después, es importante estimar el valor de la velocidad de salida del chorro. En el ejemplo presentado aquí, el nivel del agua respecto al orificio por el que sale el chorro al momento de la fotografía es de h=5.6 cm, por lo tanto, el valor teórico de la velocidad de salida del agua, calculado según la fórmula de Torricelli es v teo =1.05 m/s . Este valor coincide razonablemente bien con el valor experimental v exp =0.92 m/s , obtenido a partir de las características geométricas del chorro medidas en la fotografía.Conociendo la altura del orificio, y=4.2 cm , y el alcance horizontal del chorro en el nivel de la base de la lata, x =8.5 cm , el valor experimental de su velocidad de salida se calcula segúna fórmula vexp =x √ g /(2 y)".(p.594)
Simulacion Estocastica:

para poder argumentar  sobre  la simulacion estocastica es conveniente  definir el concepto de modelo  y variables  aleatorias, cuales  tipos de modelos  son mas usados como se definen las variables aleatorias y como  pueden ser usadas  en  las simulaciones , sus alcances,sus fortalezas y su punto debiles.
entre las motivaciones para el uso de modelo y modelado de fenomenos y eventos naturales de acuerdo  a Harrison&Treagust(2000) estan  las imposiblidad de reproducir eventos  que ya sucedieron o son fenomenos naturales  que  por su peligrosidad o costos implicitos tienen restricciones economicas y de seguridad. Siendo consecuente con esta tesis Harrison&Treagust(2000) en primer lugar  define los modelos como analogicos debido a que buscan semenzanjas  con  los aspectos de la realidad que se quieren representar ,

 ademas estos pueden ser concretos , abstractos  o teoricos segun las nesesidades del propio autor  o las nesesidades de la audiencia a la que se dirigen, tambien existen modelos cientificos  y modelos para la enseñanza de las ciencias   sin embargo  a pesar  de  sus diferencias  todos son herramientas claves para favorecer el pensamiento y trabajo cientifico en si mismo
Tipos de modelos analogicos segun Harrison & Treagust(2000)

segun lo descrito  por los autores existen 10 tipos de modelos analogicos,los cuales se denominan asi dado a la gran cantidad de semejanzas o las relaciones que se pretenden establecer entre el modelo y el objeto; los modelos  analogicos se pueden clasificar  en:

1.modelos a escalas: generalmente se usan para representart animales,aves ,carros ,casas etc .la utilidad  de  estos  esta  orientada a representar aspectos externos como la forma y  el color o extrucutura , estos modelos raravez  muestran la configuracion interna, no estan hechos del mismo material del objetivo. estos  modelos a escalas ggenralmente son juguetes o algo parecidos , puede  que el realismo aparente  oculte  aspectos o marque diferencias entre el modelo y el objeto.
2.modelos pedagogicos analogos: todos los  modelos  incluidos  en esta categoria  son empleados para enseñar y aprender conceptos desde el mas basico al mas complejo. son llamados analogos  por la gran cantidad de informacion que comparte  con el objeto  y pedagogico  porque  a menudo son usados para aspectos didacticos de la docencia, segun los autores  una definiicon mas precisa seria:

"(Keenan et al. 1980). los  modelos analogicos  reflejan correspóndencias punto a punto  entre la analogia y el objetivo para ciertos atributos,Los atribiutos analogos a menudo son sobre simplificados o exagerados(atomos son esferas solidas,los enlaces son palillos uniendo esferas) para resaltar atributos conceptuales .Esta categoria es ahora elaborada como :

modelos analogicos pedagogicos que construyen conocimiento conceptual"(p.1015)
3.Modelos Iconicos o Simbolicos:En quimica  un ejemplo de modelo  iconico o simbolico  lo tenemos  en las formulas y reaciones  quimicas de los compuestos las cuales ademas estan embebidas  en un lenguaje  quimico . comunmente los estudiantes  y algunos profesores  inexpertos  asumen  que  las formulas quimicas representan a los atomos reales  en sus contexto , sin embargo la interpretacion real de estas herramientas  del lenguaje quimico  es que favorecen la compresion comportandose como modelos explicatorios o coumnicativos.
al respecto a este tipo de modelos analogicos Siodłak(2013) utilizo tapas de gasesosa tipo rosca pegados con polimeros sinteticos  se pueden unir  hasta formar estructuras complejas como la de los modelos del fullereno y el diamante , posteriormente  el mismo autor Siodłak(2016)  uso  el mismo material con un conector  mas resistentes tales como alambres delgados , tuercas y tornillos de 3mm confieriendole mayor rigidez a las estructuras  logrando mayor complejidad en las estructuras

4.Modelos matematicos: Algunas  propiedades fisicas(x=v*t) , quimicas(p*v=R*n*T) y fisico-quimicas() de la materia pueden ser representados mediante simbologia  matematica , usualmente representan  relaciones entre variables o magnitudes, de todas las tipologias de modelos  son los mas precisos,abstractos pero ademas con un gran poder predictivo, algunos como F=m*a representan la relacion entre fuerza, masa y aceleracion en condiciones de no friccion , lo cual en los aspectos practicos resulta un poco ideal debido a que esas condiciones no son comunes en la naturaleza , debido  a su complejidad y abstraccion nesesitan conveciones y notas donde se expliquen los significados de las variables y sus relaciones.
5.Modelos teoricos:

Bibliografia.
Balukovic, J., Slisko, J., & Corona Cruz, A. (2015). ¿ Cómo deja de fluir un chorro de agua de un recipiente en caída libre?.

Chirino, S. A., Rodríguez, N. P., & Rodríguez, G. A. (2015). Aprendizaje de contenidos de óptica geométrica utilizando software didáctico. Revista de Enseñanza de la Física, 27(2), 37-44.

Di Laccio, J. L., Vitale, G., Alonso-Suárez, R., Pérez, N., & Gil, S. (2017). Estudio del efecto Doppler utilizando teléfonos inteligentes. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 14(3).

Domènech-Casal, J., Gasco, J., Royo, P., & Vilches, S. (2018). Proyecto CRASH: enseñando cinemática y dinámica en el contexto del análisis pericial de accidentes. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 15(2), 2103.

Evans, J. R. (2000). Spreadsheets as a tool for teaching simulation. Informs transactions on education, 1(1), 27-37.


Rotgé, H. G. R. (2016). Taller: La computadora en el Laboratorio. Latin-American Journal of Physics Education, 10(4), 24.

Siodłak, D. (2013). Building molecular models using screw-on bottle caps. Journal of Chemical Education, 90(9), 1247-1249.

Siodłak, D. (2016). Building Large Molecular Models with Plastic Screw-On Bottle Caps and Sturdy Connectors. Journal of Chemical Education, 94(2), 256-259.
Gil, S., & Di Laccio, J. (2017). Smartphone una herramienta de laboratorio y aprendizaje: laboratorios de bajo costo para el aprendizaje de las ciencias. Latin-American Journal of Physics Education, 11(1), 5.

Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (2000). A typology of school science models. International Journal of Science Education, 22(9), 1011-1026.


Hergemöller, T., & Laumann, D. (2017). Smartphone Magnification Attachment: Microscope or Magnifying Glass. The Physics Teacher, 55, 361-364.

Langendorf, R. E., & Strode, P. K. (2017). Using Spreadsheets to Simulate an Evolving Population. The American Biology Teacher, 79(8), 635-643.

Martínez Pérez, J. E. (2015). Obtención del valor de la aceleración de la gravedad en el laboratorio de física. Experiencia comparativa del sensor de un teléfono celular inteligente y el péndulo simple.

Muñoz, P. M., & Riveros, F. C. Diseño de simulaciones numéricas en hoja de cálculo para estudiantes de preparatoria. Revista de Enseñanza de la Física, 29(1), 51-70.
Velasco, J., & Buteler, L. (2017). Simulaciones computacionales en la enseñanza de la física. Enseñanza de las ciencias, 35(2), 0161-178.

Weiss, C. J. (2017). Scientific Computing for Chemists: An Undergraduate Course in Simulations, Data Processing, and Visualization. Journal of Chemical Education, 94(5), 592-597.

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