MODELIZACIÓN Y OTRAS COMPETENCIAS EXPERIMENTALES VINCULADAS A LA FORMACIÓN PRÁCTICA EN LA FÍSICA BÁSICA PARA LA INGENIERÍA1 1
Juan Manuel Martínez , Beatriz A. Pérez
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1 – Dr. en Física, Dpto. de Física, Sede Esquel, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de la Patagonia “San Juan Bosco”, Ruta 259 (s/n) (9200) Esquel, Chubut,
[email protected] 2 – Lic. en Física, Dpto. de Física, Sede Esquel, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de la
Patagonia
“San
Juan
Bosco”,
Ruta
259
(s/n)
(9200)
Esquel,
Chubut,
[email protected]
Eje Temático: Experiencias didácticas en la enseñanza de las diversas asignaturas
RESUMEN A pesar de los múltiples avances que proveen las investigaciones educativas y las diferentes recomendaciones oficiales en materia de desarrollo y utilidad de competencias básicas asociadas a la formación práctica en las carreras de ingeniería, en la implementación curricular de carreras de grado siguen operando ciertas prácticas y discursos hegemónicos, producto de procesos ritualizados en la cultura docente. Mediante ellos perduran formas de expresión y acciones propias de instituciones basadas exclusivamente en la reproducción de conocimientos, que sitúan al estudiante en roles pasivos, particularmente en el contexto de las actividades experimentales de las ciencias básicas. De esta manera suele inhibirse el desarrollo temprano y posterior refinamiento de competencias estratégicas y lingüísticas asociadas a la formación práctica, caracterizadas por etapas de formulación de preguntas, modelización de problemas reales, diseño, análisis y comunicación de resultados. En este trabajo presentamos algunos trabajos prácticos de laboratorio, realizados por alumnos de primer y segundo año de la carrera de Ingeniería Forestal de la Facultad de Ingeniería, en los que se fomenta el desarrollo de dichas competencias, así como las herramientas de trabajo e instrumento de evaluación con los que se desarrollaron la enseñanza y se evaluaron los aprendizajes de los estudiantes en este contexto. El desarrollo del instrumento de evaluación es fruto de un proyecto conjunto con colegas del Departamento de Profesorado en Física y Química, de la Facultad de Ingeniería de la UNCPBA (Olavarría) Palabras Claves: Competencias Experimentales, Modelización, Formación práctica, Ciencias Básicas
INTRODUCCIÓN Sin lugar a dudas el término competencias circula actualmente en los ámbitos nacional e internacional, como uno de los más eficientes para designar muchas de las expectativas de logro en la educación formal de las nuevas generaciones [1] [2] Particularmente en nuestro país, existen diseños curriculares de secundario basados en competencias [3] y 1
Presentado en la I JORNADA DE INTERCAMBIO DE EXPERIENCIAS EN LA ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA, Comodoro Rivadavia, Septiembre 2008, pp. 125-136, ISBN: 978-950-763-091-0
una tendencia generalizada en las carreras de ingeniería en pos de alinearse en la generación de planes de estudio que promuevan su desarrollo [4] [5] En el contexto del presente trabajo, nos referiremos a competencias como una constelación de saberes complejos y habilidades en desarrollo, que son educables, esto es: habilidades de pensamiento, de procedimiento y prácticas portadoras de valores, que pueden ser “observables” a través los desempeños de las personas con mayor o menor dificultad. A pesar de tener entre manos la anterior definición general, cuando un término como este se torna rápidamente eficaz para designar un gran conjunto de situaciones y cosas en los ámbitos más diversos, conlleva el riesgo de expandir tanto su campo semántico, que se torna ambiguo para diferenciar ciertas modalidades de aprendizajes de contextos académico-escolares específicos. En las carreras de ingeniería, la formación práctica configura un espacio diferenciado y esencial para el cual se han especificado criterios de intensidad acreditables, en pos de lograr un currículo basado en competencias flexible y pertinente a las demandas actuales de la sociedad. Basta consultar al respecto la profusa documentación existente, por ejemplo, en la página Web de la CONEAU. Particularmente, la Res. ME 1232/01 en base a la cual fueran acreditadas muchas de las carreras de ingeniería del país, incluyendo a nuestra facultad, tiene en cuenta que los criterios de intensidad de la formación práctica, referidos específicamente a la formación experimental y resolución de problemas de ingeniería, orientan al desarrollo de competencias genéricas de los futuros ingenieros y deben ya estar presentes en la formación básica [6] A esto debe sumarse la insistencia en los dictámenes de acreditación, para que las actividades experimentales alcancen un mínimo de 25% del total de la carga horaria de aquellas asignaturas que las contemplen, siendo además que las mismas no deberían ser reemplazadas por clases demostrativas, que tienen su énfasis fundamental en el docente y no en un aprendizaje activo por parte del alumno, como el que se propicia desde este trabajo.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL Y MODELIZACIÓN La actividad experimental, como una de las modalidades de la formación práctica, conlleva tal multiplicidad de saberes, acciones y valores que la constituyen en un proceso especial para acceder, en un marco de intensa interacción social, a las culturas características de aquellas profesiones que la sustentan. Entendemos la actividad experimental como una amalgama de acciones típicas de las prácticas científicas, que tienen como meta producir y profundizar un conjunto de vínculos entre los modelos que sustentan los cuerpos teóricos y la realidad (eventos, objetos) que intentan describir y explicar. Esta definición orienta la evaluación hacia la búsqueda de indicadores
específicos, aunque no restringidos a cuestiones puramente conceptuales u operatorias de tipo técnico (en sentido estricto) La actividad experimental también implica evaluar un conjunto de otros conocimientos que dan cuenta del desarrollo temprano y posterior refinamiento de competencias estratégicas, lingüísticas y afectivas vinculadas a la formulación de preguntas en ambientes cooperativos, modelización de problemas reales, afrontamiento de las dificultades para realizar diseños experimentales, análisis y comunicación de resultados. Ahora bien, es necesario puntualizar que la actividad de laboratorio o trabajos prácticos de laboratorio, incluida en la actividad experimental, hace referencia a una situación de enseñanza específica, organizada intencionalmente, en la que el conocimiento adquiere significado en el encuadre de las tareas, las intenciones y a su vez es contextualizado por ellas [7] Aquello que definitivamente moviliza a los alumnos durante una actividad experimental, desencadenando el proceso de construcción de conocimiento, son las preguntas. Cuando se percibe un fenómeno, cuando se imagina el comportamiento de un sistema o cuando se quiere resolver un problema real, los alumnos (y cualquier persona experimentalmente competente) generan preguntas. Las preguntas siempre son formuladas desde algún modelo o asistidas por él [8] En este marco de ideas insistimos en el valor de la modelización como competencia a desarrollar durante la enseñanza de las ciencias básicas, dado que fomenta la formulación progresiva de preguntas relevantes, junto con el reconocimiento, planteo y resolución de problemas típicos de la ingeniería. En cierta manera, los modelos funcionan como vías de acceso a los eventos o problemas reales y son característicos de cada cultura profesional [9]. Por otro lado, la modelización implica, entre otras habilidades básicas: la identificación de variables, la nominalización y la interpretación. Mientras la modelización tiene lugar durante la actividad experimental, el refinamiento de las primeras preguntas conduce paulatinamente a la formulación de preguntas más relevantes, mediante las cuales el fenómeno en cuestión va quedando cada vez más en claro, junto con aquellas acciones concretas a realizar en pos de obtener información precisa del evento bajo estudio [10] Desde esta perspectiva describiremos las características de algunos trabajos prácticos de laboratorio realizados por alumnos de primer y segundo año de la carrera de Ingeniería Forestal de la Facultad de Ingeniería, con los que se pretende fomentar el desarrollo de la modelización y otras competencias asociadas a la actividad experimental. Presentaremos también las herramientas didácticas e instrumento de evaluación con los que se trabaja en las clases prácticas.
EXPERIENCIAS DIDÁCTICAS EN FÍSICA I Las características de los trabajos prácticos de laboratorio que se comentan a
continuación se vienen elaborando con continuidad desde 1997, tanto con estudiantes de primero y segundo año de la carrera de Ingeniería Forestal, cuanto en talleres de capacitación y experiencias de articulación con docentes y alumnos de nivel secundario y primario. La duración promedio de cada una estas actividades experimentales, desde su inicio hasta la elaboración y entrega de los informes, es de cuatro clases de tres horas cada una, distribuidas en dos semanas. La segunda semana, destinada al análisis minucioso de resultados y elaboración de informes, coincide con el inicio de una nueva actividad experimental.
HERRAMIENTAS DE TRABAJO UTILIZADAS DURANTE LAS CLASES Durante los trabajos prácticos de laboratorio y cualquier otra actividad experimental, los estudiantes trabajan teniendo en mente tres heurísticos que se enseñan durante las primeras clases: “modelo físico”, “puntero” y “ada”. Los dos primeros, se presentan a los estudiantes mediante imágenes, ya que de esta manera son más factibles de internalizar como un todo y poder operar mentalmente con ellos. El tercero, es simplemente una regla nemotécnica. El primero de los heurísticos puede verse en la Figura 1. Esta imagen evoca la estructura interna básica de todo modelo físico y al mismo tiempo advierte sobre el papel que tienen los modelos en la construcción de conocimiento científico, evitando la noción distorsionada e inductiva del popularizado “método científico”
REPRESENTACIÓN MENTAL INTERNA Es una entidad real “subrogada” ES
MODELO FÍSICO
SE CONSTRUYE SOBRE
REALIDAD
Componentes principales NOMBRES Palabras que designan conceptos Nombran a los objetos, eventos y agentes
Error Experimental
VARIABLES Representan Propiedades
Relacionan las variables con la realidad
ECUACIONES Describen la estructura y la evolución temporal
de Objeto
INTERPRETACIONES
Carácter Predictivo
de Estado de Interacción
COMPONENTE CRÍTICA
Delimita, Marca los alcances
Figura 1: Heurístico “modelo físico”
El heurístico “puntero” se representa en la Figura 2. La imagen incluye dos ilustraciones que describen la función esencialmente analítica de este heurístico y representan el diálogo que las ciencias experimentales mantienen con la naturaleza. El “puntero” indica claramente la dirección en que toda la actividad experimental tiene lugar: desde las
preguntas hacia la realidad, en concordancia, por otra parte, con la manera en que los modelos se elaboran. Los tres dominios indican los lugares desde donde necesariamente se realizan las preguntas, se elaboran y revisan los modelos y se tratan de comprender y valorar los desafíos que plantean los eventos bajo estudio. Intencionalmente no aparecen términos como “metodología”, muy estereotipados y despersonalizados en los ambientes académicos, sino palabras como “compromisos” y “emociones”, que remiten a la implicación personal existente en toda actividad experimental. La ilustración pequeña simplemente recoge las iniciales de los términos clave del “puntero”, con la finalidad de hacerlo potencialmente significativo. También son importantes los íconos como las flechas de doble implicación, indicando la estructura relacional del proceso; la nube, indicando una realidad a modelizar, naturalmente indeterminada; la estrella, destaca el rol de las preguntas relevantes como motor del diálogo experimental, representado mediante la doble flecha entre los modelos y los eventos.
DOMINIO AFECTIVO
Emociones
La Actividad Experimental y su “Diálogo” particular con la Naturaleza
DOMINIO DE CONOCIMIENTO
DOMINIO METODOLÓGICO PREGUNTAS RELEVANTES
Visiones de Mundo
Conocimientos
Valores
MODELOS
Compromisos
PR Modelos
Eventos HECHOS-OBJETOS
Figura 2: Heurístico “puntero”
Finalmente, el heurístico “ada”, que evoca el término compuesto “adentro-afuera”, es una regla nemotéctina que indica rápidamente el nivel de implicación que tienen los equipos de trabajo en el evento bajo estudio y al mismo tiempo los ubica espacial y temporalmente en proceso de la actividad experimental. En el contexto más restringido de un trabajo práctico de laboratorio, este heurístico funciona en conjunto con el “puntero”, auxiliando en la producción de preguntas cada vez más relevantes (más básicas), que esclarecen paulatinamente el evento y “le informan” al equipo sobre la manera más adecuada de diseñar estrategias y planes de perfil científico, a los fines de
abordar el problema que intentan resolver. Este heurístico remite específicamente al diálogo experimental característico de las ciencias experimentales.
GUÍAS DE TRABAJOS Y PRODUCCIONES DE LOS ESTUDIANTES En esta modalidad de aprendizaje activo que promueve el desarrollo de competencias asociadas a la actividad experimental, se utilizan guías de trabajo no pautadas, con consignas lo suficientemente abiertas como para que se establezca una interacción importante entre docentes y estudiantes, durante todo el desarrollo de la actividad. Como ejemplo de dichas consignas incluidas en la primera guía de Física I, observemos el siguiente texto: “La siguiente tabla contiene los registros de 25 posiciones del satélite Kosmos 159 (escala 1cm: 4000 Km.) que fuera lanzado por la Unión Soviética en 1967. En dicha tabla la terna Pt corresponde a la posición de la TIERRA” (Se incluye la tabla en la guía) “Debemos transformar esa información de tal manera que permita construir una representación más clara de los datos que tenemos a disposición y de esta manera proponer un modelo físico posible que intente describir, explicar y predecir el evento al cual se refieren dichos datos” Con posterioridad, la guía incluye otras consignas como: “Diseñe distintas representaciones de tipo vectorial para los datos de la tabla. Proponga un modelo físico que permita predecir todas las posiciones del satélite no contempladas en los datos. Analice las limitaciones de su modelo” En los informes producidos por los estudiantes pueden leerse párrafos como los siguientes: “Para estudiar este movimiento, contamos con los registros de 25 posiciones del satélite. Entonces resulta práctico representar estos datos en distintos gráficos que permitan apreciar claramente el movimiento en cuestión. Como los datos están expresados en tres coordenadas, pero de las cuales sólo dos tienen valores … podemos representarlos en un plano, mediante un gráfico cartesiano. La tercera coordenada … es una constante igual a cero; si en vez de eso tuviera distintos valores, deberíamos representar el evento en el espacio de ℜ 3 (tres dimensiones), y no en un plano de ℜ 2 (dos dimensiones). El primer gráfico representa la trayectoria del satélite, y se puede apreciar el tamaño relativo de la Tierra. La escala utilizada es de 1cm=4000km”
La última representación de la trayectoria del satélite es mediante vectores. Utilizamos
distintos orígenes para los vectores, como se puede apreciar en los siguientes gráficos
Luego el equipo intenta numerosas alternativas de obtener la ecuación de la trayectoria, postulando la ecuación de una elipse y tratando de determinar sus parámetros característicos. Además de ello, guiados por los docentes, los equipos incursionan en la postulación de funciones posición, adoptando criterios propios para interpretar el intervalo de tiempo que media entre cada uno de los datos ofrecidos en la guía. Arriban así a un conjunto de funciones posición, velocidad y aceleración a los fines de interpretar globalmente el movimiento real que se les propone. En las conclusiones del informe puede leerse: “Con la metodología utilizada, hemos logrado alcanzar el objetivo: determinar la posición de un cuerpo a partir de un instante de tiempo. En el caso del satélite, contábamos con los registros de coordenadas en 25 posiciones diferentes. Representando el evento gráficamente, logramos obtener una mejor visualización del mismo, por lo que pudimos establecer el modelo matemático que explica el movimiento del cuerpo en el espacio. Al introducir la dimensión temporal, representamos el evento con las dimensiones espaciales variando de acuerdo al tiempo, es decir que combinamos espacio y tiempo para explicar completamente (dentro de las incertezas) el movimiento en cuestión. De esta manera, logramos obtener las ecuaciones que nos permiten conocer la posición del satélite en un tiempo determinado.”
EVALUACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Y PERSPECTIVAS Dado que la modelización, como otras competencias asociadas a la actividad
experimental, se desarrolla paulatinamente a lo largo de toda la carrera, es necesario ser cauto a la hora de las evaluaciones y calificaciones de los estudiantes en la formación práctica. A tal fin, en colaboración con colegas de la Facultad de Ingeniería de la UNCPBA de Olavarría [11], con quienes mantenemos contacto desde hace ya varios años, hemos elaborado un instrumento de evaluación específico que contempla áreas de competencias con su desglose, así como indicadores que ayudan a explorar el grado en que dichas competencias se presentan en nuestros estudiantes. En la Figura 3 puede observarse un esquema general de dicho instrumento, que actualmente se encuentra en fase de contrastación y refinamiento.
Relación conocimiento-hechos de la realidad
Comunicación
•
Construir conocimiento científico integrado, (elaborado en diferentes situaciones de aprendizaje que impliquen aproximaciones a hechos reales)
•Comunicar los distintos aspectos de la actividad experimental, atendiendo a temáticas, intenciones y destinatarios
•Interpretar y describir la realidad mediante modelos Valoración del trabajo científico
Áreas relativas a
•
Obtener información relevante sobre las temáticas y los hechos que aborda, utilizando las fuentes disponibles.
•
Manifestar en diversas situaciones predisposiciones, actitudes y compromisos asociados al trabajo experimental
•Colaborar y cooperar con los demás en la
Modos de proceder
•Diseñar •
consecución de metas acordadas, buscando negociaciones y atendiendo a la gestión de conflictos
Trabajar utilizando diversos métodos, procedimientos e instrumentos
•
•Trabajar con datos experimentales
Reconocer y valorar la actividad experimental como una construcción histórica y sociocultural
Figura 3: Áreas de competencias asociadas a la actividad experimental
La experiencia con este tipo de metodología en las asignaturas de física básica para la ingeniería, así como los primeros resultados obtenidos con el instrumento de evaluación descrito, que pone de manifiesto el grado en que los estudiantes comienzan a desarrollar competencias genéricas propias de la cultura ingenieril, nos indica un camino promisorio hacia a la construcción de un curriculum adecuado para las carreras de ingenierías, con énfasis en el desarrollo de competencias. Queda claro que tal empresa es imposible de llevar a cabo sin una articulación adecuada entre las diferentes asignaturas de los bloques curriulares y entre estos, a los fines de promover un desarrollo continuo de las competencias deseadas, evitando disgregaciones y aprendizajes sin estructura
significativa.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Andersen, Arvid, Preparing engineering students to work in a global environment to co-operate, to communicate and to compete, European Journal of Engineering Education, 29 (4), 2004. [2] Moreno Bayardo, M., El desarrollo de habilidades como objetivo educativo. Una aproximación conceptual, Educar N° 6, http://www.Jalisco.gob.mx/srias/educación/consulta/educar/dirrseed.html, 1998 [3] Ministerio de Educación−Provincia del Chubut, Diseño Curricular de la Educación Polimodal, Chubut, Argentina, 2001. [4] Sobrevila, Marcelo Antonio, Reforma estructural de la educación del ingeniero argentino, Academia Nacional de Educación, Marzo 2004. [5] Red Preingeniería - http://www2.fices.unsl.edu.ar/~cgcb/ [6] Comisión Nacional de Evaluación Acreditación Universitaria (CONEAU), http://www.coneau.gov.ar/archivos/538.pdf [7] Martínez, J. M. y otros, Núcleos Semánticos y Aprendizaje de la Física Básica. Desarrollo de instrumentos de evaluación para fines didácticos, Memorias del 7º Simposio de Investigación en Educación en Física, La Pampa, 2004. [8] Hestenes, D., Toward a modeling theory of physics instruction, Am. J. Phys. 55(5), 1987. [9] Aguirre, M., Rizzuto, S. y Martínez, J.M., La consideración de las culturas profesionales en el marco del aprendizaje y la enseñanza de las ciencias básicas en la ingeniería, Experiencias Docentes en Ingeniería, Vol 1, pp.343-350, UNC, Mendoza, 2006. [10] Lucca, G. La utilización de dispositivos heurísticos en el pensamiento estratégico, Tesis de Maestría, Univ. Nacional de Cuyo y Alcalá de Henares, 2003. [11] Martínez, J.M. y otros, Desarrollo de indicadores para la determinación y evaluación de competencias asociadas a la actividad experimental en la transición Polimodal – Universidad, Actas del V CAEDI, UNC, Mendoza, 2006.
