Aprendizaje por comprensión con prototipos de energía solar

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1 Aprendizaje por comprensión con prototipos de energía solar Torres, J. 1

2 Aprendizaje por comprensión con prototipos de energía solar RESUMEN Jonás Torres Montealbán Como una propuesta de enseñanza-aprendizaje, prototipos solares se estudiaron con estudiantes de nivel preuniversitario de la Universidad Autónoma Chapingo. Este estudio nos permitió entender la forma en que la manufactura de prototipos como: un panel fotovoltaico, un calentador de agua solar y una estufa solar, mejora el proceso de aprendizaje relacionado con los temas de interacción de la energía-materia. Nos centramos en el principio de conservación de la energía, pero con la idea de que para entender el concepto de energía es necesario llevar a cabo medidas de todas las magnitudes físicas involucradas. Por lo tanto, con el fin de hablar sobre la energía, necesitamos obtener datos acerca de su transformación y obtener una definición concluyente con los estudiantes. Como factor de motivación, el creciente interés en la energía limpia y más específicamente, el aprovechamiento de la radiación solar, nos ha llevado a enseñar a los estudiantes de física de nivel preuniversitario; el diseño, operación, fabricación, caracterización y evaluación de los de prototipos solares. Esta experiencia de Integración Didáctica en la energía solar térmica y fotovoltaica, consiste en el diseño, el uso de diferentes materiales, su fabricación, el funcionamiento, la caracterización y la evaluación con base en el concepto de energía y su transformación. Los estudiantes en este nivel han estudiado las leyes de Newton, el concepto de temperatura, calor, óptica y ondas electromagnéticas. El objetivo es integrar todo el conocimiento de los estudiantes con los nuevos temas, poniendo atención en los tipos de energía a estudiar (cinética o electromagnética) e indicando de dónde vienen este tipo de energía (térmica o fotovoltaica). Por lo tanto, creemos que esta metodología de trabajo, ayuda a integrar los conceptos relacionados con la energía solar, favoreciendo así una visión más amplia e integral de la física mediante la Exploración y Aplicación. Teniendo en cuenta que la medición es fundamental para conseguir la comprensión del concepto de energía en un contexto de aplicación; trabajamos a través de hojas de cálculo, rúbricas, evaluaciones y la conexión de manera integradora los conceptos de la termodinámica, fluidos, óptica y ondas electromagnéticas. Los estudiantes participan activamente en la investigación científica, en el funcionamiento de la energía solar y en el trabajo colaborativo. Por medio de esta propuesta didáctica y con prototipos solares como proyectos integradores; la recopilación de datos procedentes de múltiples fuentes, la descomposición de los sistemas estudiados en subsistemas, la formulación de preguntas, la presentación de los avances y todo tipo de recursos de evaluación; hizo posible desarrollar una estrategia didáctica diseñada en cuatro etapas. En la primera etapa, se define el marco teórico de la propuesta denominada "aprendizaje para la 2

3 comprensión". La segunda etapa describe el modelo didáctico para la recuperar información, que consiste en las hojas de trabajo, rúbricas y encuestas. La tercera etapa incluye la discusión sobre los datos recogidos y la forma en que la manufactura de un prototipo solar, mejora el proceso de aprendizaje de la física entre los estudiantes. Finalmente, la última etapa muestra cómo el aprendizaje para la comprensión con base en una IDEA, tiene aplicaciones en diferentes contextos rurales y urbanos; ayudando así, a que los estudiantes desarrollen sus conocimientos como actores activos y no como aceptadores pasivos de información. Palabras clave: Estudiantes de nivel preuniversitario de entre años de edad, actividades en el laboratorio y enseñanza-aprendizaje por comprensión. INTRODUCCIÓN Existe una gran diferencia entre lo que se considera energía de manera intuitiva cotidianamente y el significado que se le atribuye en física. Esta noción intuitiva es incompleta y totalmente inaceptable, pues falta incluir un aspecto esencial para la actividad científica: el cómo se mide esa energía. Además, el creciente interés por las llamadas energías limpias y más específico, el aprovechamiento de la radiación solar, nos ha llevado a enseñar a estudiantes de nivel preuniversitario de la UACh, el diseño, funcionamiento, manufactura, caracterización y evaluación de prototipos solares, destacando el aspecto de la medición, figura 1. Figura 1. Construcción de un panel fotovoltaico. La energía se puede degradar (perder la capacidad de transmitirse en forma de trabajo útil) aunque durante el proceso no hayan existido pérdidas de energía. La medida de la degradación de la energía viene dada por el incremento de la entropía, una propiedad termodinámica de los sistemas muy bien conocida y estudiada, aunque mucho menos popularizada que el concepto de energía. Así, son perfectamente conocidos muchos tipos específicos de energía: térmica, cinética, potencial, magnética, energía en reposo, tabla 1, muestra algunos fenómenos físicos donde se 3

4 estudia un particular tipo de energía. EXPRESIONES DE ALGUNOS TIPOS DE ENERGÍA RECURSO ENERGÍA ECUACIÓN MAGNITUD A MEDIR Calentador solar de agua y estufa solar TÉRMICA Q = mm T a) temperatura b) masa CINÉTICA 1 2 mm a) masa b) velocidad POTENCIAL GRAVITACIONAL G m 1m 2 r 2 a) masa b) longitud Panel fotovoltaico POTENCIAL ELECTROSTÁTICA K q 1q 2 r 2 a) masa b) carga EFECTO FOTOELÉCTRICO E = hυ a) Frecuencia ENERGÍA EN REPOSO E 0 = mc 2 Tabla 1. Formas de medir la energía. b) masa c) velocidad de la luz Todos estos tipos de energía son mensurables, es decir, se les puede asignar un determinado valor numérico, que dependerá de las características particulares del sistema analizado en un instante determinado. Y en principio, siempre será posible registrar y estudiar continuamente sus variaciones con el transcurso del tiempo o los efectos de algún parámetro externo sobre su valor. Dicho de otra forma, siempre será posible llevar a cabo experimentos y hacer ciencia con la energía. En nuestra propuesta de "Aprendizaje por comprensión" alrededor de prototipos de energía solar; comprende el uso de diferentes tipos de materiales, su 4

5 manufactura, la operación, la caracterización, la evaluación y su campo de aplicación. Pero en esencia, es el principio de conservación de la energía que resume la realidad experimental de que: siempre que desaparece algún tipo de energía en un sistema (cinética, potencial, del campo) en algún otro sistema aparece igual cantidad de energía, del mismo o de otro tipo, figura 2, muestra una estufa solar, que concentra la radiación solar para aprovecharla en la cocción de alimentos. Figura 2. Manufactura de una estufa solar. Por lo que, a través de explorar y capturar datos (A); documentar métodos de aprendizaje (B); identificar ideas previas y diferentes representaciones (C); explorar e integrar conceptos y metodologías con fichas de trabajo: conceptual, fenomenológica y experimental-formal (D); trabajar colaborativamente en la manufactura de un prototipo (E); además de comprender su aplicación práctica en diversos usos (F); y desarrollar una didáctica de los fenómenos físicos que se enmarca la enseñanza de la energía y los fenómenos físicos que ocurren en los prototipos solares, ayudan en la comprensión en diferentes comunidades de aprendizaje relacionando: ciencia, tecnología y sociedad (G), figura 3. Figura 3.- Enseñanza para la comprensión, didáctica explorativa integrativa al rededor del calentador solar de agua. 5

6 OBJETIVOS GENERAL Desarrollar una propuesta de enseñanza en la UACh, que dirija a los educandos hacia una cultura de reducción en el consumo de combustibles fósiles y de generación de gases de efecto invernadero, la independencia de sistemas tradicionales de generación de energía, derivando en mejora de calidad de vida y habítos saludables; desarrollando modelos de producción agropecuaria e industrial sustentables y tecnológicamente independientes. OBJETIVOS PARTICULARES 1. Identificar a la medición como fundamental para conseguir la comprensión del concepto de energía. 2. Elaborar una guía didáctica sobre el estudio de fenómenos relacionados con la energías solar. 3. Caracterizar, evaluar y estudiar prototipos en el marco del estudio de la energía y su transformación en calor útil y electricidad. 4. Validar la propuesta didáctica y su utilidad en el proceso de enseñanzaaprendizaje de física. 5. Contribuir a la conciencia de los beneficios en el empleo adecuado de la energía solar en la UACh, diseñando y desarrollando protipos de aplicación agrícola-industrial. MARCO TEÓRICO La comprensión de la física a través de explorar, documentar dificultades de aprendizaje, identificar las ideas previas, esquemas alternativos o el uso de fichas de trabajo y el trabajo colaborativo. Requiere de un nuevo enfoque educativo, que se debe analizar en terminos de lograr la comprensión de los conocimientos de física, desde sus orígenes cognitivos y epistemológicos mas que desde la pedagogía y la didáctica. Mediante una investigación propuesta de tipo experimental teórica, con una recogida de datos con técnicas de tipo: test de lápiz y papel, evaluaciones integrales (diagnóstica, formativa, sumativa y alternativas), fichas explorativas y entre otras técnicas de obtención de información. Además, la porpuesta se enmarca en el desarrollo de actividades de aprendizaje integradoras para de los conocimientos estudiados en la física de nivel preuniversitario, figura 4, 6

7 muestra un espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución como concetrador, para mostrar los efectos de la concentración de la radiación solar y el análisis de contenidos vistos en varias unidades del programa. Figura 4. Espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución. Para facilitar el camino en la investigación y garantizar el éxito de la propuesta, se presentan los elementos teóricos considerados como base en el desarrollo del trabajo sobre la exploración de la Energías Solar. Los rápidos cambios que se presentan en la sociedades y en particular en el mundo académico; además de una espiral de cambios en los formas de aprendizaje y de las tecnologías educativas para el estudio de la física y en particular las necesidades del uso de energías solar. Se hace necesario reflexionar sobre las teorías de aprendizaje, las propuestas epistemológicas sobre la enseñanza y la comprensión de los conceptos de física involucrados en la temática de Energía Solar, es decir, integrar diferentes propuestas educativas considerando que una propuesta no es suficiente. METODOLOGÍA Ahondar en la comprensión de la Física de la Energía Solar a través de desarrollar simultáneamente prototipos para su aprovechamiento. Identificando las necesidades del uso energético con enfoque sustentable. Crear nexos con los conceptos de física y su aplicación directa en contextos urbanos y rurales cotidianos. Con base en lo anterior, se puso de manifiesto que se debe partir de necesidades reales que permitan identificar y analizar problemas cotidianos. A partir de esto se diseñaron las formas de dilucidar aspectos cognitivos, didácticos y de compresión de los fenómenos involucrados, como los que se muestran en la figura 5. Transferencia de calor, balance de materia y energía, óptica de no imagen, radiación solar, efecto invernadero, efecto termosifón y captación solar. 7

8 Figura 5.- Conceptos y fenómenos físicos estudiados en el curso de física. A continuación se integraron los siguientes elementos teóricos tanto de la disciplina como de la didáctica, figura 6. Se consideró como base en el desarrollo de un proyecto integrador que hace uso de la Energías Solar. 8

9 Figura 6.- Elementos del marco teórico. LOS PROTOTIPOS SOLARES Con base en los elementos del marco teórico, se estudiaron y evaluaron 3 prototipos solares: Un panel solar fotovoltaico, un calentador solar de agua y una estufa solar. El creciente interés por la energía limpia hace necesario comprender el funcionamiento de los sistemas de energías alternativas como la energía termosolar y la interacción de la energía con la materia, figura 7, muestra un calentador solar con un boiler (reciclado) como termotanque. Figura 7. Calentador solar de agua con un boiler (reciclado) como termo tanque. 9

10 Nuestro intrumento de recogida de información para la investigación se basa en las ideas centrales del análisis del modelo exploratorio, que es parte dela propuesta de las fichas de explorativas integradoras segun el esquema mostrado a continuación. La exploración del proceso de aprendizaje relacionado con los conceptos de la física, durante el desarrollo del proyecto tienen como elementos los siguientes, cada hoja de trabajo contiene seis elementos: 1) Problema, 2) Situación, 3) Predicción, 4) Experimento, 5) Comparación, y 6) Conclusión; figura 8. El análisis de las hojas de trabajo explorativas proporciona, qué ideas y qué categorías tienen relación con los fenómenos, y en qué momento y el qué contexto se utilizan. Además, en qué alternativas y el significado se le da en el relato de cada experiencia, figura 9. Figura 8. Elementos de las fichas de trabajo En cuanto a la estructura de los cursos de Física, hemos encontrado que el aprendizaje mejora cuando los estudiantes trabajan activamente involucrados con actividades guiadas por hojas de trabajo, 10

11 ante un proyecto integrador como la manufactura de un prototipo solar. Esto se refiere a las experiencias teórico-experimentales y a los fenómenos físicos observados en el curso de Física de nivel preuniversitario. Figura 9. Se documentaron todas las actividades a ser evaluadas en actividades de trabajo. RESULTADOS Los estudiantes que participaron en el estudio tienen entre años de edad, en donde las mujeres representan el 50%. 25 estudiantes participaron en la manufactura del prototipo. Se elaboraron tres prototipos: un panel fotovoltaico, un calentadores solares de agua y una estufa solar. Se hizo el seguimiento de su dimensionamiento, montaje y evaluación, figura 11. Se diseñaron y aplicaron 20 actividades explorativo integradoras, con el fin de estudiar conceptos físicos que intervienen en la operación de los prototipos. Haciendo énfasis en el concepto de energía y su transformaciones. Figura 10. Se trabajó de manera colaborativa en la manufactura de los prototipos. Las hojas de trabajo explorativas integradoras se analizaron con rúbricas de control y éstas fueron evaluadas por sus logros en la comprensión de los conceptos de energía y su transformación. Además se desarrolló una guía con estos documentos para lograr la concienciación del uso de energía renovable entre los actores implicados. La propuesta de "El aprendizaje a través de la comprensión" fue evaluado y el modelo se comparó con pares académicos tradicionales, figura 11, muestra un modelo integral mas acabado. El enfoque mostró en las diferentes etapas del desarrollo de la propuesta, la consolidación de un grupo académico-colaborativo de profesores, que apoya el desarrollo de prototipos para la enseñanza de la física. Esto logró volverse muy importante para integrar una comunidad de aprendizaje en términos de dar una definición de energía a partir de la variables medibles y prototipos que puedan ser útiles en diferentes contexto. 11

12 Con base en lo anterior, fue posible estudiar en el contexto de la aplicación el concepto de energía y su interacción. Así como desarrollar y documentar la experiencia didáctica con elementos que se definieron en el transcurso de la propuesta. Figura 12. La propuesta didáctica: aprendizaje con comprensión. CONCLUSIONES 1. Con el desarrollo de una propuesta planificada fue posible evaluar el efecto de la manufactura de un prototipo solar y el logre de los aprendizajes en los temas de física alrededor del calentador solar. 12

13 2. Los resultados se compararon mediante el análisis de la información recogida, que proporcionaron las fichas de trabajo aplicadas con el fin de evaluar la propuesta. 3. La investigación puede favorecer el desarrollo de un ambiente de aprendizaje colaborativo del estudio de la física de nivel preuniversitario y con esto analizar y recuperar información, con el fin de tomar decisiones con base en la propuesta de aprendizaje por comprensión en otros contexto. 4. La fabricación de un prototipo con aplicaciones educativas enriquece el estudio del conceptos, teniendo en cuenta que las necesidades cotidianas y la medición como elemento fundamental, significa un alto nivel de compresión alcanzado. 5. Por último, los distintos modos de comunicar la información como: imágenes, textos, modelos matemáticos y exposiciones, ayudan en la construcción y transformación de las representaciones conceptuales que son necesarios en el proceso de enseñanza-aprendizaje de física. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Rincón E. (1999). Estado del Arte en investigaciones en energía solar en México. Fundación ICA, A.C. México., pág Eggen D. (2005). Estrategias docentes y desarrollo de habilidades de pensamiento. Fondo de Cultura Económica, México, pág Tapia S. and del Rio J.A. (2009). Concentrador parabólico compuesto: una descripción opto-geométrica. Revista Mexicana de Física 55 (2) pag Michelini M. and Stefanel A. (2012). Taller de Física Moderna. UAM- Iztapalapa, México, pág Sokoloff D. And Thornton. R. (1997). Using interactive lecture demonstrations to create an active learning environment,the Physics Teacher 36, pág Chavez J. (2008). Introduction to Nonimaging Optics. Taylor & Francis Group, CRC Pres, U.S. pág [ 7. Harper E. (2009). Tecnología de Generación de energía eléctrica. LIMUSA, México, pág Perales B. (2010). Guía del instalador de energías renovables. LIMUSA, México, pág