Innovación en el laboratorio de electricidad y magnetismo: circuitos eléctricos

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1 Innovación en el laboratorio de electricidad y magnetismo: circuitos eléctricos Mónica Quezada-Espinoza 1 y Genaro Zavala 1,2 1 Tecnológico de Monterrey, Monterrey, México, 2 Universidad Andrés Bello, Santiago, Chile moquezada.espinoza@gmail.com, genaro.zavala@itesm.mx Resumen Dos de las estrategias de aprendizaje activo que se han usado con éxito frecuentemente son Tutoriales para la Física Introductoria (Tutoriales) [1] y Física en Tiempo Real (FTR) [2]. Se ha demostrado que estas estrategias producen un mejor aprendizaje, ya sea en el salón de clases o en el laboratorio, que la enseñanza por exposición. En este estudio se presenta una innovación en el laboratorio de electricidad y magnetismo en el tema de circuitos eléctricos donde se implementó aprendizaje activo por medio de Tutoriales y dos enfoques de FTR. Los enfoques de FTR son que además de la implementación propuesta por los creadores, es decir, con circuitos reales, computadoras y sensores, se implementó por medio de calculadoras con capacidad de conexión a los sensores. Una muestra de 476 estudiantes de una universidad privada mexicana se dividió en tres partes; un tercio de los estudiantes usó Tutoriales, otro tercio usó FTR con computadoras más sensores y el último tercio FTR con calculadoras graficadoras más sensores. A través de un test de opción múltiple, aplicado al final de las prácticas de laboratorio y una evaluación por medio de un examen de opción múltiple aplicado al inicio del semestre (pre-test) y al final (post-test) del periodo de la implementación, se demuestra que los aprendizajes obtenidos con las tres metodologías propuestas son comparables e igual de efectivas para realizar laboratorios de circuitos eléctricos simples. La calculadora graficadora, de menor costo, utilizada con una estrategia de aprendizaje ya probada, no afecta negativamente el aprendizaje de los estudiantes por lo que puede tener consecuencias positivas en los gastos previstos en la implementación de laboratorios con aprendizaje activo. Palabras clave: Estrategias de aprendizaje activo, circuitos eléctricos, aprendizaje conceptual, laboratorio, sensores Introducción Está demostrado que las estrategias de aprendizaje activo son un método al que se le tiene que apostar para mejorar el aprendizaje conceptual de física en los estudiantes universitarios [3]. De las áreas de estudio que hay en física, en electricidad y magnetismo se a que el estudiante confronte sus preconcepciones a través de cuestionamientos diseñados especialmente para esto. Asimismo, el uso de tecnología en el aula se ha reportado en la literatura como una herramienta exitosa para la enseñanza. Hablando específicamente de la implementación de la computadora como herramienta principal en cursos introductorios de física [7, 8, 9, 10]. Similarmente, la calculadora graficadora ha tomado importancia dentro de las aulas como herramienta de aprendizaje [11-16], puesto que el avance en la tecnología ha permitido que las calculadoras ahora tengan varias funciones que la computadora tiene. Con la diferencia de que una calculadora graficadora representa una menor inversión económica y una portabilidad más eficiente. Esta investigación propone la comparación de dos estrategias de aprendizaje activo, mediante un estudio ha indagado a profundidad y varios investigadores han encontrado que los conceptos con más índice de dificultad para los alumnos son corriente, voltaje, potencia y energía [4-6]. En la actualidad existen diferentes propuestas de estrategias de aprendizaje activo que promueven un mejor aprendizaje conceptual en los estudiantes [3], como los son los Tutoriales para física introductoria [1] y las guías de Física en Tiempo Real [2], entre otros. Estas estrategias fomentan dentro del aula una mayor interacción entre estudiantes y una mejora significativa en el aprendizaje conceptual de física. Además ayudan de ganancias de aprendizaje relativas [17] que otorgue 577

2 un amplio panorama de las ventajas y desventajas de introducir tecnología en el laboratorio. El objetivo es comparar el aprendizaje conceptual de los estudiantes en un laboratorio con tres metodologías: a. Física en Tiempo Real (FTR) con computadora y sensores, b. FTR con calculadora graficadora y sensores, y c. Tutoriales para fisca introductoria. En las secciones posteriores se hablará de las principales teorías que sustentan la investigación, así como también los estudios que se han realizado en el área. Después se describe la metodología utilizada para la recolección de datos y por último se presentan los resultados obtenidos y las conclusiones. Desarrollo 2.1 Marco Teórico En esta sección enfatizaremos en dos estrategias de aprendizaje activo, las cuales se utilizaron en el presente estudio. Los Tutoriales para Física Introductoria, diseñados por el grupo de investigadores en educación de la física de la Universidad de Washington [1] y Física en Tiempo Real (FTR), desarrollada por Sokoloff et al. [2]. Los Tutoriales para Física Introductoria son hojas de trabajo estructuradas cuidadosamente en las que los estudiantes, a través del razonamiento científico, construyen sus conocimientos. En el Tutorial observan y analizan demostraciones, construyen e interpretan gráficas y diagramas y resuelven problemas que enfatizan en su aprendizaje conceptual. Esto con la ayuda de un instructor que actúa principalmente como un facilitador de discusión más que un transmisor de conocimiento. Los experimentos o situaciones propuestas son clave y dan las bases para la construcción de un modelo a partir de la experiencia de los alumnos en el laboratorio [4]. Física en Tiempo Real (FTR, por sus siglas en español), tiene como objetivos, según Sokoloff et al. [18], que el alumno: (1) adquiera un completo aprendizaje en conceptos de física relacionados; (2) experimente el mundo físico a través del uso de herramientas como la computadora con software y sensores que permitan la recolección y análisis de datos en tiempo real; (3) desarrolle habilidades de laboratorio y (4) que los temas en clase y las tareas sean un complemento con el laboratorio para que los alumnos dominen los temas abordados (actividades conceptuales + experimentos cuantitativos). Este tipo de estrategias abarca conceptos como mecánica de Newton, electricidad y magnetismo, ondas, 578 óptica. Sin embargo, en este estudio nos enfocamos en conceptos básicos de electricidad y magnetismo como lo son corriente y voltaje. Se ha encontrado que los estudiantes de electricidad y magnetismo tienen una dificultad evidente en temas de corriente y resistencias y diferencia de potencial [19]. Estas dificultades se deben a diferentes causas, entre ellas están las concepciones alternativas detectadas en los estudiantes. Las concepciones alternativas son descritas por Hammer [20] como: 1) aquellas concepciones que los estudiantes tienen y que difieren de las concepciones científicas, 2) son fuertemente sostenidas por los estudiantes, 3) afectan el sentido fundamental de cómo los estudiantes aprenden y 4) éstas deben ser confrontadas y reemplazadas por las adecuadas. Peşman [5], hace un compendio de las principales concepciones alternativas encontradas en diferentes estudios respecto a temas de corriente y voltaje. Estas concepciones se muestran como modelos alternativos: Sumidero : el estudiante considera que un solo cable conectado de una fuente de voltaje a un dispositivo electrónico es suficiente para encenderlo. Atenuación : el estudiante considera que la corriente se va perdiendo gradualmente debido a que se queda en los componentes del circuito por los que va pasando. Corriente compartida : se cree que la corriente es la misma en todos los componentes del circuito. Secuencial : se asume que una modificación en algún punto de un circuito eléctrico afecta a este en favor de la corriente y no en contra de la corriente. De choque : la corriente positiva y negativa administrada por la bacteria se encuentra en algún componente del circuito provocando que este choque o encuentro encienda el componente eléctrico. Regla empírica : se cree que entre más lejos esté un foco de la fuente de voltaje menos brillante será. Corto circuito : se ignoran los cables que no están conectados a algún componente eléctrico dentro del circuito. Fuente de poder como fuente de corriente constante : se considera a cualquier fuente de poder o alimentación como una fuente de corriente constante. Circuito paralelo : se considera a las resistencias como obstáculos en el flujo de corriente, asumiendo que al incrementar el número de estos incrementara la resistencia total. Razonamiento local : se considera que si se hace un cambio en alguna parte especifica del circuito esta no afectará todo el sistema.

3 Es debido a estas concepciones alternativas que nos motivamos para llevar a cabo la presente investigación. Con el apoyo de dos estrategias de aprendizaje activo que abordan estos temas con diferente metodología. Pero que tienen como objetivo en común mejorar el aprendizaje conceptual en estudiantes universitarios en temas de circuitos eléctricos. 2.2 Metodología Este es un estudio cuantitativo que fue realizado en una universidad privada ubicada en el noreste de México. Los participantes fueron 476 estudiantes de diversas carreras de ingeniería inscritos en el curso de Electricidad y Magnetismo (EM). Para aprobar el curso los estudiantes de EM deben asistir una vez por semana al laboratorio. En el laboratorio se realizan prácticas guiadas con los Tutoriales para física introductoria bajo la supervisión de un instructor (estudiante de grado avanzado). De manera aleatoria se dividió la muestra en tres. La tabla 1 muestra con más detalle la división de la muestra y se describen las características de cada grupo. Tabla 1: Descripción de los grupos de la muestra. Grupo Estrategia Complementos Control (GC) Prueba 1 (GP1) Prueba 2 (GP2) Tutoriales FTR FTR - No hubo modificación - Calculadora TI-Nspire CX-CAS, Lab cradle, sensores - Interfaz, Software Vernier Data Quest, sensores Como lo muestra la tabla 1, los Tutoriales se utilizaron en su forma original, sin embargo la estrategia FTR fue adecuada para ser utilizada con calculadora y sensores (la estrategia original utiliza computadora, interfaz y sensores). Además se adecuó para poder ser completada en un menor tiempo (1.25 h en lugar de 2 h). Es importante mencionar que para FTR la parte que se utilizó en este estudio fue sólo la de laboratorio, sin tomar en cuenta las tareas previa y posterior que indica la estrategia original (Sokoloff et al, 2004), esto debido a los objetivos y limitaciones contextuales de la investigación. Este estudio se llevó a cabo durante dos semanas consecutivas, para abarcar dos temas: corriente y resistencias y diferencia de potencial Instrumentos Las evaluaciones realizadas fueron tres, un test conceptual el cual fue diseñado por los autores a partir de un diagnóstico validado en la literatura llamado Determining and Interpreting Resistive Electric Circuits Concepts Tests (DIRECT, por sus siglas en inglés) [6]. Instrumento que fue desarrollado para evaluar conceptos de circuitos eléctricos con corriente directa del cual se tomaron cuatro reactivos para evaluar el aprendizaje conceptual de corriente y resistencias. Este test fue aplicado a los estudiantes de los tres grupos de la muestra después de haber realizado la práctica de laboratorio en la primera semana de implementación. La segunda evaluación fue un examen diagnóstico de 10 reactivos, adaptados del Electric Circuits Concept Evaluation (ECCE, por sus siglas en inglés) [21]. E ECCE es u instrumento que evalúa el entendimiento conceptual en temas de circuitos eléctricos con corriente directa [21]. Este test evaluó el desempeño académico de los alumnos en los temas de corriente y resistencias y diferencia de potencial. Fue aplicado a todos los estudiantes de la muestra al inicio del semestre (pre examen) y al final del laboratorio de diferencia de potencial en la segunda semana de implementación (post examen). La última evaluación fueron cinco reactivos tomados del DIRECT. Estos evalúan el tema de configuración de circuitos. Dichos reactivos fueron aplicados al final de la segunda sesión de laboratorio junto con el diagnóstico antes mencionado a los tres grupos de la muestra. 2.3 Resultados Los resultados se reportan en tres fases, la primera fase muestra los resultados de la primera evaluación (corriente y resistencias). La segunda fase muestra el análisis de ganancias del examen diagnostico aplicado (corriente y resistencias y diferencia de potencial). Y la tercera fase muestra los resultados obtenidos en el tema de configuración de circuitos Fase I Cada reactivo del test conceptual de corriente y resistencias tenía una ponderación de 25 puntos por reactivo (4 reactivos), por lo que el valor máximo de puntuación es 100 para cada test. La tabla 2 muestra el análisis descriptivo de los resultados obtenidos de los test de salida para la sesión de laboratorio de corriente y resistencias. Tabla 2. Análisis descriptivo realizado para el laboratorio de corriente y resistencias 579

4 GC (N=128) Evaluación 1. Corriente y resistencias GP1 (N=189) GP2 (N=159) Media Desv. stdr Para analizar los resultados obtenidos se realizó la prueba estadística Kruskal-Wallis para los resultados de los alumnos del GC, GP1 y GP2 con α=.05. Se obtuvo un valor para p=.242 del cual se concluye que las medias de los tres grupos es igual Fase II El análisis de ganancias se realizó a partir de los resultados obtenidos de 10 reactivos del examen diagnóstico aplicado. La ganancia se calcula a través de la siguiente formula: <g>= (x post -x pre )/(1-x pre ) [17] Esta fórmula se interpreta como la fracción de cuánto un estudiante o un grupo de estudiantes aprendieron con respecto a lo que pudieron haber aprendido. La figura 1 muestra la gráfica de las ganancias obtenidas en los tres grupos de la muestra. En el eje horizontal se muestran los reactivos del 1 al 10 (R1-R10) y al final se puede ver la ganancia total por grupo (Tot). En el eje vertical se encuentran los valores de las ganancias (-0.6-1). Figura 1. Ganancias del examen diagnóstico. Según Hake [17], un grupo con ganancia alta es cuando ésta es mayor que 0.7, una ganancia media es cuando ésta es mayor que 0.3 pero menor que 0.7 y un grupo con ganancia baja es cuando ésta es menor que 0.3. La tabla 3 muestra a qué tema corresponde cada reactivo del examen diagnóstico. Tabla 3. Reactivos correspondientes a cada concepto en el examen diagnóstico. Tema Corriente y resistencias Diferencia de potencial Reactivos R1, R2, R3, R5, R7, R9, R10 R4, R6, R Fase III A través de los cinco reactivos elegidos del DIRECT se pudo evaluar la habilidad de los estudiantes para identificar las diferentes configuraciones de circuitos en diferentes contextos (real y simbólica), los resultados en la tabla 4 a continuación. Tabla 4. Análisis descriptivo realizado para el tema de configuración de circuitos. Evaluación 3. Configuración de circuitos GC (N=108) GP1 (N=152) GP2 (N=133) Media Desv. stdr Para analizar los resultados obtenidos se realizó la prueba estadística Kruskal-Wallis para los resultados de los alumnos del GC, GP1 y GP2 con un α=.05, obteniendo un valor para p=.005 del cual se concluye que al menos dos poblaciones son distintas. 2.4 Discusión Después de analizar los resultados obtenidos en los tres enfoques propuestos, es decir, Tutoriales, FTR con calculadora y sensores y FTR con computadora y sensores se presenta una discusión de los principales hallazgos. En cuanto al tema de corriente y resistencias evaluado la primera semana de laboratorio con el examen conceptual aplicado al final de la sesión de laboratorio, nos pudimos dar cuenta de que los grupos comparados tienen un nivel de desempeño comparable entre sí respecto al aprendizaje conceptual adquirido. De acuerdo al análisis de ganancias se puede decir que, a nivel general, las ganancias en los tres grupos son comparables, lo cual significa que las adecuaciones realizadas a la estrategia de Física en Tiempo Real no afectaron en el desempeño académico de los estudiantes. Se puede observar en la figura 1 que la gran mayoría de los estudiantes se localizan en un nivel medio con 580

5 ganancias mayores a 0.3, sin embargo se observa también que el grupo que mantuvo un nivel más alto es el grupo control, el cual se mantuvo en valores significativamente altos respecto al GP2, por ejemplo. El GP1 al igual que el GC mostró tener un nivel de ganancias más comparable entre ellos respecto al GP2. Esto hace considerar que el uso de computadora provocó algún efecto negativo en los estudiantes o, al menos, afectó en su desempeño durante la realización de la práctica, lo cual provocó que no tuvieran las bases conceptuales sólidas para responder el examen correctamente. La evaluación conceptual del tema de configuración de circuitos mantiene un patrón respecto a los resultados obtenidos en las otras evaluaciones, manteniendo una inclinación positiva al GC y desfavoreciendo a los estudiantes del GP2, que fueron los grupos que realizaron el laboratorio con Tutoriales y con FTR con computadora y sensores, respectivamente. Se pudo observar problemas al transferir una representación real a una simbólica o viceversa. Por ejemplo, una gran proporción de estudiantes de los tres grupos incurren en el error conceptual del modelo de corto circuito en el cual los alumnos desprecian el efecto de los cables extra conectados al circuito [5]. Conclusiones La presente investigación tuvo como objetivo principal comparar tres enfoques para la realización de laboratorios de física. Se utilizaron dos estrategias de aprendizaje activo, Tutoriales y Física en Tiempo Real, dónde FTR fue adecuada para ser implementada de dos maneras diferentes, como se propone originalmente con el uso de computadora y sensores, y además con el uso de calculadora graficadora TI y sensores. Mediante un estudio de ganancias y la prueba estadística Kruskall Wallis se obtuvieron resultados que nos indican que en general los tres enfoques son efectivos para llevar a cabo las prácticas de laboratorio de circuitos eléctricos. De los resultados obtenidos y de los reportados en la literatura se concluye que el uso de estrategias de aprendizaje activo es eficaz en la enseñanza de temas de circuitos eléctricos simples. En este caso los Tutoriales para física introductoria y las hojas de trabajo de Física en Tiempo Real son comparables en función del aprendizaje conceptual obtenido durante la realización de la práctica de laboratorio. Sin embargo, cabe destacar que en el tema de configuración de circuitos los estudiantes que utilizaron Tutoriales y FTR con TI y sensores fueron los que mostraron un mejor desempeño, respecto de los 581 alumnos que usaron FTR con PC y sensores. De acuerdo a los resultados también se puede concluir que la adecuación realizada a la estrategia FTR no mostró tener efectos negativos en el desempeño de los alumnos, por lo que es muy enriquecedor poder proponer el cambio de instrucción ya que esto representa una inversión menor en las instituciones que deseen adoptar esta estrategia como parte del currículo institucional. Capitalización Esta investigación permite conocer los alcances que tiene la implementación de tecnología en el ambiente de laboratorio. La innovación realizada a la estrategia Física en Tiempo Real permitió ampliar el panorama de los cambios y los efectos positivos que se pueden realizar a las estrategias que actualmente son utilizados para llevar a cabo los laboratorios de física. La innovación propuesta y los resultados que se obtuvieron nos permiten recomendar el cambio de instrucción a instituciones que no cuenten con los suficientes recursos para adquirir equipo como computadoras. Tomando como referencia que el aprendizaje de los estudiantes es comparable cuando se utilizan calculadoras graficadoras o se experimenta con equipo simple de laboratorio como lo proponen los Tutoriales. Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo del Tecnológico de Monterrey por el apoyo a través de la Cátedra de Investigación en Enseñanza de la Física (CAT140).

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